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煤油两相超燃模型及初步的流场数值模拟.pdf
第十一届全国激波与波管学术会议
煤油两相超燃模型及初步的流场数值模拟木
徐胜利 刘国昭 曹春丽 黄生洪
(中国科学技术大学力学和机械工程系。合肥230026)
摘要:本文目的是建立煤油两相超燃数值分析模型。用双流体模型描述离散相对流效应,用Lagrange观点描
述相间非平衡效应(传热、传质)。认为液滴先蒸发为气相燃料,再参加气相的基元反应。用液滴蒸发模型和
修正的蒸发模型描述液滴群燃烧,后者主要考虑当地的当量比对蒸发的影响。用TVD格式和Lu分解分别处理
气相方程对流项的显、隐部分。用NND格式求解液相守恒方程。相问非平衡源项的常微分方程采用Runge-Kutta
方法求解。针对平板和含凹槽燃烧室的单孔雾化煤油喷射流场进行了初步数值模拟,得到了流场气相压力、
温度、组分浓度和液相密度等参数分布。结果表明:两种模型均可较好地预测液滴群的蒸发效应。气相煤油
可参与基元反应,凹槽有助于煤油点火和燃烧,但作用有限。由于燃烧室长度较短,加之喷入燃料流量较小,
因此,蒸发煤油未充分燃烧均流出燃烧室。
1.引 言
对M=6~8飞行器,煤油超燃冲压发动机是首选的动力推进装置。其中,煤油超声速燃烧
是关键技术。由于两相流动的不确定性,给煤油两相燃烧带来了很大困难。与低速或静止两
相流相比,(1)在超声速气流中,相间滑移Mach数为超声速时,液滴前会产生激波,即产生
附加阻力。(2)两相的非平衡效应(质量、动量和能量传递)应考虑来流压缩性(即Mach数)
对的影响。目前,这些基础性数据不全,且来自于亚声速流动条件。(3)液滴群燃烧模型。
拟采用的液滴群燃烧模型为蒸发模型和修正的蒸发燃烧模型。后者考虑了局部当量比对蒸发
效应的影响。应当指出:煤油超燃处于强对流环境,由于来流速度较高,单滴燃烧的火焰面
位于液滴下游的尾迹中。关于两相流模型,商业计算软件采用的多是基于轨道或修正的随机
轨道模型,这适合体积分数小于10%的两相流燃烧问题(可称为极稀相燃烧),而双流体模型
适合于体积分数小于30%的两相流燃烧问题(可称为稀相燃烧)。因此,采用双流体模型可描
述大部分煤油超燃问题(喷口附近除外)。其思想是:将离散项作为拟流体处理,考虑其对流
效应。本文目的是:建立初步包含气液燃烧的两相煤油超燃数值分析模型和计算软件,暂忽
略喷口处液滴的多尺寸及其分布效应和液滴群间的相互作用。液滴群燃烧模型分别取蒸发模
型和修正的蒸发模型。
煤油液滴群燃烧模型
2.1液滴群蒸发模型
假设液滴只存在蒸发、不存在燃烧。液体燃料只作为蒸发生成源项,没有消耗空气。该
模型的基础为单滴燃烧理论。在给定温度和压力的静止气体中,单液滴蒸发模型的基本假设
为:
● 液滴蒸发是准定常过程。
· 忽略液滴间碰撞、成核、破碎、凝结、微爆(micro.explosion)现象。
· 不考虑液体过热、忽略辐射传热及内部涡流作用。
● Le=l。
基于上述假设,求勰准定常、球坐标下燃料组分守恒方程、积分形式的连续性方程和能
量守恒方程,根据液滴表面的燃料净质量流量等于对流和扩散引起的质量流量之和,确定液
滴蒸发的质量变化率。单滴在静止气体中的纯蒸发速率,fl,:
In(1+曰村)=4ZrspsDsIn(1+曰r)
扁,.★=4ZrspsDs
其中,马定义为transfer数,8.:生坠二鱼!,相间质量交换主要为液滴蒸发,空气是被蒸发后
‘国家自然科学基金资助项目
168
煤油两相超燃模型及初步的流场数值模拟
的气相燃料所消耗。当液滴与周围介质存在相对运动时,液滴蒸发还需考虑强迫对流的影响。
即对静止介质中得到的液滴质革蒸发率进行修丐。th=嘲c,。实用的经验公式为:
Cf=4+o.39pr%Re。Y2]ln(1+B)/B
k=l
的单滴质量变化率。
2.2液滴群的修正蒸发燃烧模型
在某些情况下,液滴边蒸发、边燃烧。研究单滴在静止气体中的相变过程,仍可采用上
节假设,但其组分质量和能量方程需考虑液滴燃烧的质量变化率造成的附加项。推导结果表
明:质量蒸发速率以和滴径变化率丘形式不变,但B的表达式为
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