某支板式超音速剪切流燃烧的数值研究.pdf

中国工程热物理学会 燃烧学 学术会议论文 编号：064186 某支板式超音速剪切流燃烧的数值研究· 侯凌云 王人杰 (清华大学航天航空学院北京100084) 电话：OX) Email：lyhou@tsinghua．edu．cn 摘要：针对某支板火焰稳定结构数值研究T-维超音速流动和燃烧规律。提出不同燃料供给方案，比 较了采用全氢气、全甲烷和不同比例的混合燃气等情况下的燃烧性能。结果表明：单一燃料时，氢气 超燃性能很好，但会出现热量雍塞，而甲烷无法燃烧，两种混合燃料方案均在燃烧室内出现了稳定的 火焰，但氧气消耗率不理想，基于上述结论给出了一些提高超燃性能的改进措施． 关键词：支板，剪切流，超音速燃烧 1引言 +目前超燃冲压发动机研究所面临的两大难点是：高效稳定燃烧和有效冷却。超音速 气流在燃烧室的滞流时间只有几毫秒，在如此短的时间内要实现燃料的喷射、雾化、掺 混、点火、稳定燃烧，对来流条件、燃烧室的几何设计、燃料喷射方案以及燃料种类有 苛刻的要求。一方面，来流空气必需压缩至足够高的温度和压力来点燃燃料；另一方面， 燃烧室的几何设计与燃料的喷射方案决定了燃料与主流空气能否充分混合，燃料必需有 较低的着火温度与足够短的着火延迟时间，以实现可靠点火，稳定燃烧。总而言之，实 现稳定燃烧超燃冲压发动机燃烧室设计的关键技术。 在超音速燃烧室的火焰稳定技术方面，主要包括凹槽和支板结构两大类结构，凹槽 结构是基于突扩稳定燃烧原理，燃料从凹槽壁直接射入或者通过安装在壁面上的斜坡喷 入；支板结构是通过在通道对称轴上的支板喷射器将燃料直接射入气流中。前者可以实 现良好混合，且较易冷却，但由于激波和总压损失，可能会引起很大的不可逆的流量堵 塞。后者由于顺气流喷射掺混，总压损失较小，且在主要流动方向的喷射可能是不会诱 发强烈的激波，但缺点是混合能力通常有限。 ． 国际上较早模拟超声速燃烧的计算是针对二维欧拉方程进行单步不可逆化学反应 …。Michael Oevermann应用小火焰模型非结构化网格，模拟了剪切流场氢气超音速湍 流扩散火焰的非平衡态化学反应燃烧晗1。国内进行了比较多的凹槽式驻焰稳定器的超燃 实验和数值研究H11。 由于支板式火焰稳定结构在总压损失方面的优势，近年来在超音速稳定燃烧领域更 多地采用顺气流布置的支板式火焰燃烧稳定结构【5。71，因此本文以支板式超燃冲压发动 机作为研究对象，开展了相关数值模拟工作。 ‘本项目为国家自然科学基金资助(No 1034 2数学模型 2．1基本方程和模型 二维N—S方程组及化学反应组分方程守恒形式的微分表达式： ．8UaEaFaGaH： 一+一+一=一一+J al 瓠av瓠-I-卸 k k 0 P 勺 o 0 l‰+％+ 越％+y％+ 0 卜 ，●、 谢 ’百露 x等+声篓喏 0