低马赫数下多凹腔燃烧室非稳态燃烧过程

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1、航空学报Dec．252016V01．37No．S1S112．S118ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaISSN1000．6893ON11-1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．GRhkxb@buaa．edu．ca低马赫数下多凹腔燃烧室非稳态燃烧过程王璐1’2，高亮杰1’2，钱战森1’2一，赵勇1’21．中国航空工业空气动力研究院，沈阳1100342．高速高雷诺数气动力航空科技重点实验室，沈阳110034摘要：作为稳定火焰的有效手段之一，凹腔构型在冲压发动机燃

2、烧室研究中占有重要地位。在对以煤油为燃料的多凹腔燃烧室冷／热态流动特性分析的基础上，重点研究低进El马赫数条件下燃烧室点火起动初期非稳态过程。结果表明：上游凹腔内大涡结构有助于提高燃料的驻留时间，未燃混气被高速主流带人下游凹腔内继续反应，进一步提高燃烧效率；燃油喷射速度决定被卷吸进回流区的燃油质量分数的大小，进而影响燃烧效率高低；燃烧室点火起动初期出现了主流熄火、火焰逆流传播以及主流再着火等复杂现象，火焰逆流传播现象是在上游凹腔内燃料自燃与下游燃烧释热压缩来流两种机制共同作用下完成的。关键词：低马赫数；多凹

3、腔燃烧室；非稳态燃烧；数值模拟；喷射中图分类号：V231．3文献标识码：A文章编号：1000～6893(2016)S1一S112—07燃烧技术在吸气式高超声速临近空间飞行器研制中占据重要地位，要想在毫秒量级内组织稳定、高效燃烧，必须增强燃料与超声速来流的混合。特别是对于液体碳氢燃料，还要考虑液滴破碎、雾化和蒸发过程，大大增加了燃料混合的难度[1。3]。作为火焰稳定器的一种，凹腔得到了广泛的关注，在冲压发动机应用研究中体现出了巨大的潜力[4-6]，并成为了航空发动机新型燃烧技术的研究热点口。9]，而组合凹腔结

4、构在增强混合、稳定燃烧方面有着更强的优势[10‘11]。国内外学者经过大量研究，在冲压发动机高效稳定燃烧技术研究方面取得了系列研究成果。然而在宽马赫数飞行包线(通常跨3～4个马赫数)范围内[12

5、，来流参数变化剧烈，给燃烧组织带来了新的问题。特别是在低马赫数飞行条件下，由于来流总温低等，造成碳氢燃料点火时间延长，使得冲压发动机燃烧室实现顺利起动并建立稳定燃烧的过程更加困难，因此开展点火起动初期非稳态燃烧特性研究显得极其重要。近年来，随着冲压发动机地面试验和精细流场显示与诊断技术的发展[13。15]，研究人员

6、针对低马赫数下的燃烧组织技术开展了大量的试验研究[16

7、。但是要详细了解燃烧室内部流动结构，仍需基于数值方法，而模拟的核心在于选择合适的湍流燃烧模型[17I。本文首先验证了所采用的数值方法应用于冲压发动机燃烧过程中的可行性，研究了组合凹腔燃烧室冷／热态下的流动结构，在此基础上，基于高温热源点火模型对燃烧室起动初期非稳态过程进行研究。收稿日期：2016—04—23；退修日期：2016—05—11；录用日期：2016—05—13；网络出版时间：2016—05—3110：09网络出版地址：www．cnki．net

8、／kcms／detail／11．1929．V．20160531．1009．008．html基金项目：航空科学基金(2014ZA27010)*通讯作者．Tel．：024—86566601E—mail：qianzs@avicari．com．cn戮崩播武；I璐．高亮杰，钱战森。等，低马赫数下多凹腔燃烧室非稳态燃烧过程tJ]．航空学报．2016。37(SI)：S112-S118，WANGL，GAOLJ，QIANzS，eta1．Unsteadycombustionprocessinmulti-cavitycombus

9、toratlowMachnumbercondition[JJ．ActaAero—nauticaetAstronauticaSinica．2016．37(s1)：S112-S118．王璐，等：低马赫数下多凹腔燃烧室非稳态燃烧过程8113一一===========================================一1数值方法及验证1．1燃烧室模型及实验工况多凹腔燃烧室结构选自中国科学院力学研究所直联式超声速燃烧室标准实验模型‘181，三维结构如图1所示。实验中进气总温为1800K、总压为1．11M

10、Pa、静压为8kPa、流量为1340g／s，出口背压为100kPa、温度为286K，推算人IZl马赫i‘墨jL山I数为2．33，气流成份(摩尔数比)为Nz：Oz。H，O一56．8：19．2：24．0。引导氢的喷I=I为中心对称的5个直径1．0mm的小孔，间距为14mm，顶／底壁共10孔，流量3．6g／s，当量比为0．09；煤油喷口为中心对称的5个直径为1．2mm的小孔，间距为14mm，顶／底壁共10孔。超I临界态