模型燃烧室内不稳定燃烧发展过程的数值分析

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1、2016年6月第42卷第6期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsJune2016V01．42No．6http：?}bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2015．0457模型燃烧室内不稳定燃烧发展过程的数值分析冯伟1，聂万胜1’+，李斌2，郑刚1(1．装备学院航天装备系，北京101416；2．西安航天动力研究所，西安710100)摘要：为了对自燃推进剂燃烧室内出现的不稳定燃烧现象进行详细

2、分析，采用欧拉．拉格朗日方法对该燃烧室内的气液两相非稳态燃烧过程进行了数值模拟，计算得到的压力振荡幅值和频谱特性与实验结果吻合较好，在此基础上对不同燃烧阶段内的压力和释热变化规律进行了分析。结果表明：在压力振荡幅值超过10％的不稳定燃烧阶段，压力振荡主频为9200Hz，燃烧室内横向压力分布与l阶切向振型一致，仿真中再现了1阶切向自激高频不稳定燃烧的产生及发展过程；稳定燃烧向不稳定燃烧转变早期，压力振荡从部分燃烧释热波动中获得能量，压力振荡幅值缓慢增长；随着燃烧进行，燃烧释热波动与压力振荡之间相位和频谱特性逐渐趋于一致，压力振荡幅值开始急剧增大；当二者完全耦合时

3、，燃烧室内压力振荡幅值达到极限饱和状态，此时压力振荡幅值超过了平均室压的200％。关键词：液体火箭发动机；自燃推进剂；燃烧不稳定性；压力振荡；能量释放中图分类号：V434+．1文献标识码：A文章编号：1001．5965(2016)06-1195-08高频燃烧不稳定性是液体火箭发动机研制过程中面临的重大挑战之一，一旦发生，破坏性极大。虽然很早便在液体火箭发动机中发现了不稳定燃烧现象，然而由于液体推进剂燃烧涉及多个物理和化学过程，发生不稳定燃烧时各子过程之间存在非线性耦合，使得对其产生机理和发展过程至今尚未完全认识清楚⋯。目前，已经在多种类型的模型发动机实验中观察

4、到了不稳定燃烧现象忙‘51，然而实验研究中可测量数据有限，因此需要借助其他手段来对实验结果进行分析。采用线性¨1／非线性模型"’81分析观察不稳定燃烧现象时，往往对燃烧过程进行了大量简化，使得在处理气液两相燃烧过程中的复杂非线性问题时面临诸多困难。随着计算流体力学(ComputationalFluidDynamics，CFD)的发展，数值模拟成为分析不稳定燃烧现象的重要方法。近年来，国内外研究者采用数值仿真方法从燃烧室构型、工况参数变化及燃烧不稳定性激励源分析等方面对发动机内的燃烧不稳定性相关问题进行了大量研究一‘1⋯，并取得了很多研究成果。由瑞利准则Ⅲ1易知

5、，燃烧不稳定性的产生与燃烧释热波动和燃烧室内压力振荡耦合过程直接相关，而当前对于释热与压力振荡变化过程的分析相对较少。文献[14．16]在研究单喷嘴燃烧室内的纵向燃烧不稳定性时，分析了释热波动与压力之间的振荡波形及相位关系，但研究结果主要针对燃烧不稳定性完全激励起来之后二者之间的关系，而当前对燃烧不稳定性逐渐发展过程中二者之问的变化过程缺乏足够认识。为此，本文基于课题组开发的气液两相燃烧程序，对自燃推进剂燃烧室内的燃烧过程进行了数值仿真，两相反应流的控制方程包括欧拉坐标收稿日期：2015-07-08；录用日期：2015—10-23；网络出版时间：2015一11

6、—1717：44网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20151117．1744．001．html基金项目：国家自然科学基金(91441123)；国家“973”计划(613193)$通讯作者：Tel．：010-66364204E-mail：nwsl969@126．corn；f用格式：冯伟，聂万胜，李斌，等．模型燃烧室内不稳定燃烧发展过程的数值分析fJJ．北京航空航天大学学报，2016，42(6)：1195．1202．FENGW，NIEWS，LIB，eta1．Numericalanalysisofunstableco

7、mbustiondevelopingprocessinmode／combustorfJj．JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2016，42(6)：j195—1202(inChinese)．1196北京航空航天大学学报2016年系中的Navier．Stokes方程组和拉格朗日坐标系下描述喷雾运动规律的控制方程，气液两相之间的耦合通过控制方程中的源项来考虑，采用标准k-e湍流模型来描述湍流对于流动和燃烧过程影响。通过与实验数据比较验证仿真结果正确性的基础上，对燃烧不稳定性发展过程中燃烧室内

8、压力变化及压力分布特点、燃烧释热波动和