夏雪峰,高 峰,王宏宇,张 涵

(空军工程大学防空反导学院,西安 710051)

支板构型对煤油/空气混合影响数值分析*

夏雪峰,高 峰,王宏宇,张 涵

(空军工程大学防空反导学院,西安 710051)

为研究支板尾部结构对煤油/空气混合特性的影响,采用离散相模型对五种支板-凹腔构型的超燃燃烧室进行数值仿真,得到了对应煤油分布、涡结构和总压损失情况。结果表明,交错斜坡支板和交错楔形支板均能提高煤油组分混合效率,但也带来较大的阻力和总压损失;楔形块数少的支板更容易产生尺度大且能量大的流向涡,可有效扩展可燃混合区范围;楔形块数多的支板有利于促进近场的小尺度混合,但在远场的大尺度混合不占优势。

超燃燃烧室;支板构型;混合效率;数值分析

0 引言

超声速混合问题是超燃冲压发动机设计的关键课题之一。飞行马赫数大于2时,发动机内的气流在燃烧室内滞留的时间极短,燃料与空气的混合过程必须在有限时间和空间内完成。大量研究表明,基于流向涡技术的物理斜坡、气动斜坡、支板等被动式掺混增强装置能够产生涡流,以促进燃料湍流的迅速混合[1]。其中支板作为燃烧室内重要部件,起着燃料喷注器和扰流器的双重作用[2-7],一直是超燃燃烧室研究中的热点之一。

国外研究中,文献[4]对比分析了普通斜坡支板与交错斜坡支板的差异,文献[5]用数值方法研究了交错楔形尾部支板的流场特性。国内于江飞等研究了支板后缘构型对超声速混合的影响[6],王应洋等研究了带交错尾部支板的乙烯超燃燃烧室流场特性[7]。近年来支板-凹腔组合构型燃烧室逐步进入研究人员视野[8-10],但均采用氢气或乙烯等气体燃料,鲜少有研究不同支板构型对煤油燃料与空气混合特性的影响。

液态煤油在燃烧室中伴随着雾化蒸发过程,在极短时间内充分混合难度极大,采用支板和凹腔组合构型可增强掺混的作用,实现煤油/空气的迅速混合。以在研的煤油燃料带支板-凹腔组合结构超燃燃烧室为研究对象[11],主要比较基准构型、交错斜坡、交错楔形三类五种不同支板尾部构型对煤油混合特性的影响。

1 计算模型及数值方法

1.1 计算模型

文献[5]指出,如果燃料在支板下游一定区域内点燃,采用斜坡型支板和交错楔型支板与基准构型相比在能量释放方面更具优势。在此背景下研究支板尾部结构在促进煤油混合方面的能力。如图1所示,在基准构型支板(BP)的基础上设计了两种交错尾部支板:交错斜坡支板(RP)和交错楔形支板(AWP),并进一步研究楔形块个数N(AWP_N,N=4,8,16)对混合的影响。所有构型支板结构仅在x=1.17～1.2 m之间改变。

基准构型交错斜坡交错楔形交错楔形交错楔形BPRPAWP_4AWP_8AWP_16

图1 正常支板和交错尾部支板示意图

1.2 数值方法

采用ICEM-CFD软件对整个燃烧室划分结构网格,将模型分块化处理,第一层网格高度为0.01 mm。对壁面和参数梯度大的部位附近网格进行加密,各构型的网格数约为300万,局部网格如图2所示。

图2 计算网格局部示意图(AWP_4)

燃烧室入口采用质量流率边界条件,燃烧室壁面为绝热无滑移边界条件,在来流Ma=2的条件下给定入口初始条件如表1。采用SSTk-ω模型封闭RANS方程组对三维可压缩雷诺平均N-S方程进行隐式求解,在拉格朗日坐标系下模拟离散相煤油液滴在气相中运动,假设煤油为直径0.4 mm的均匀液滴,采用Wave模型模拟其雾化蒸发过程,煤油与主流空气参数进行耦合计算。

表1 燃烧室入口初始条件

1.3 算例验证

图3给出了冷流条件下燃烧室基准构型侧壁面的计算压强曲线和试验数据对比图[12]。由图可知,计算数据与实验数据比较吻合,且成功预测了激波位置及激波引起的压强峰值,也很好的反映了气流经过下游支板时压力急剧增大的现象,表明计算结果可信,计算模型及方法可行。

图3 侧壁面冷流试验数据[12]和仿真压强曲线

2 计算结果及分析

2.1 带不同支板构型的燃烧室混合特性分析

采用羽流横截面积A/Au和轴向涡流强度|ωx|来描述混合特性。其中A代表沿x轴方向某一截面煤油质量分数大于0.05小于0.4的面积,Au代表当地燃烧室内通道横截面积。图4显示了燃料沿x轴的传播与扩散情况,可知BP支板下游燃料分布规则,大部分集中于燃烧室中心处,穿透深度较低;RP支板燃料分布向展向稍有扩展,穿透深度比BP支板略有提高;AWP_8支板后方燃料截面分布呈螺线形,向下游传播时向燃烧室两侧的扩散大大加强,穿透深度有极大的提升。表明交错斜坡和交错楔形的引入增加了羽流面积,促进了大尺度混合。分析原因,高速气流经过支板的交错尾部时,会产生大的速度梯度,形成更强的流向涡,使煤油组分向更宽的区域分布。

图5为各算例羽流截面积沿x轴方向的变化曲线图。RP支板的羽流截面积大于BP支板,而小于AWP_N支板,说明RP支板和AWP_N支板均可促进燃料的扩散,而AWP_N支板促进作用显著大于RP支板。其中,AWP_4使燃料的扩展能力最强,其羽流截面积在出口位置比BP支板提高了近50%,出口位置AWP_8与AWP_16比BP分别提高了约35%和10%,说明在该模型中楔形数增加未必会使燃料的扩展加强。原因是楔形数少的支板更容易产生能量大且尺度大的流向涡,更容易使组分扩展。

图4 沿x轴截面上羽流截面积云图(x=1.25～1.7 m)

图5 羽流截面积无量纲曲线

图6 在可燃混合区范围内的煤油质量分数云图(x=1.3～1.8 m)

为进一步说明支板尾端楔形数对混合的影响,图6给出了AWP_N沿程截面的煤油组分云图,每一截面所示为煤油组分可燃混合区的面积Af[13],随着x的增大Af逐渐增大。比较3个算例的组分浓度分布发现,AWP_16支板使煤油组分过于集中于燃烧室中心,煤油组分不易向展向分散,导致了可燃混合区面积较小。而AWP_4支板浓度梯度较大,有很大的分散程度,可燃混合区的面积较大,AWP_8支板次之。

图7为Af无量纲化后的曲线,定量的描述了不同楔形数的交错尾部支板的可燃混合区的范围。由图可知,其中AWP_4的可燃混合区范围最广,随着楔形块数的增大,煤油的可燃混合区范围大大减小。在x/d=30位置上,AWP_8比AWP_16提高了约17%,而AWP_4又比AWP_8提高了26%;在靠近支板尾部的位置,AWP_16的可燃混合区范围要大于AWP_4和AWP_8支板,而支板底端正是火焰稳定的重要位置,这表明楔形块数越多越容易促进靠近支板处煤油在分子层面上的混合,有利于煤油的点火。

图7 煤油可燃混合区无量纲曲线

图8给出了不同支板构型后方的混合效率曲线。可知RP支板和AWP_N支板的混合效率均比BP支板要高。RP支板比BP支板提高了6%,AWP_16支板与RP混合效率相当。随着楔形数目减少,混合效率明显提高,再次证明了以上结论。

图8 不同支板后方的混合效率曲线

流向涡量强度是大尺度混合能力的度量,涡量有正负之分,为了观察涡量强度的最大值,对x方向的流向涡取绝对值,涡量强度以式(1)来定义:

|ωx|=|(×V)x|

(1)

图9给出了距支板x=1.4d截面处的流向涡强度(d为支板的厚度)。从凹腔的角度分析,凹腔内部的流向涡强度较强,尤其是凹腔入口边缘,原因是气流经过凹腔时有较强的剪切作用。从支板的角度看,支板后方的流向涡强度较强,RP支板由于斜坡的扰动作用局部区域的流向涡强度较强,AWP_8支板的流向涡强度最大且范围最广,表明了AWP支板更有利于促进燃料在分子层面扩展。

图9 流向涡强度示意图

图10为AWP_N(N=4,8,16)在x=1.25 m截面处的涡量云图和流线矢量图。从中可以看到支板AWP_4所产生的流向涡不仅尺度大且强度较高,由此可以产生使煤油组分扩散的驱动力。而AWP_16产生的流向涡最多,但涡量相对比较集中且强度不高,再次说明楔形块数多的支板有利于促进近场的小尺度混合,而在远场的大尺度混合是不占优势的;AWP_N支板产生的流向涡与凹腔产生的流向涡相互作用,在一定程度上破坏了凹腔的剪切层,可能削弱凹腔在促进混合方面的作用。

图10 涡量云图和流线矢量图

2.2 带不同支板构型的燃烧室性能分析

支板尾部引入形变,在增强混合的同时必然会导致燃烧室性能一定程度的下降。为了分析支板结构变化对燃烧室性能造成的影响,采用阻力系数和总压恢复系数两个参数对燃烧室性能进行评估。支板的阻力系数通过式(2)来定义,包括压差阻力和粘性阻力,式中Ft代表总阻力。

(2)

表2给出了不同支板产生的压阻、粘阻和阻力系数数据。由表2可知,各支板产生的粘性阻力相对压阻较小,其值差别不大,而不同支板引起的压阻有很大差别,RP支板与AWP_N支板阻力均大于BP支板,AWP_N支板带来的阻力较大。其中RP支板较BP支板增大9%。

表2 不同支板构型阻力和阻力系数

以x=1.0 m的总压作为参考,研究支板下游各截面的总压,这里总压恢复系数定义为:

(3)

图11为指定x截面的总压恢复系数曲线,可知,RP与AWP_N支板的引入使燃烧室总压恢复系数明显的降低,其中AWP_N支板总压恢复系数最低。燃烧室出口处,RP支板与AWP支板分别降低了约3.8%和7.9%。所以RP支板和AWP支板在增强燃料与空气混合的同时带来一定的总压损失,必然影响发动机推力。

图11 总压恢复系数曲线

3 结论

基于燃烧室基准构型和特定的来流条件,对带有不同尾部结构支板与凹腔组合构型的燃烧室进行了数值模拟,着重研究分析了冷流条件下支板尾部结构对煤油与空气混合的影响,得到以下结论:

1)RP支板和AWP_N支板均能增加煤油组分的大尺度混合,增大混合效率,RP支板和AWP_N在增大混合效率的同时也带来较大的阻力和总压损失。

2)AWP_4相比于AWP_8和AWP_16的增混效果更加显著,楔形块数少的支板更容易产生能量大且尺度大的流向涡,使煤油的可燃混合区范围增大;楔形块数多的支板有利于促进近场的小尺度混合,但在远场的大尺度混合不占优势,且总压损失较大。

[1] 王永寿. 超燃冲压发动机燃烧室内的超声速纵涡流效应 [J]. 飞航导弹, 2003(12): 45-49.

[2] 王晓栋, 宋文艳. 支板构型超燃冲压燃烧室流场数值模拟 [J]. 推进技术, 2005, 26(1): 6-9.

[3] 苏义, 刘卫东. 支板超声速冷流流场及液体喷流混合特性 [J]. 推进技术, 2009, 30(6): 661-665.

[4] Fabrizio Vergine, Matthew Crisanti, Luca Maddalena. Supersonic combustion of pylon-injected hydrogen in high-enthalply flow with inposed vortex dynamic [J]. Jounal of Propulsion and Power, 2014, 12(8): 1-15.

[5] Jason C. Doster. Numerical simulation of ethylene injection from in-stream fueling pylons: AIAA 2008-2518 [R]. 2008.

[6] 于江飞, 晏至辉, 刘卫东. 双燃烧室冲压发动机三维隔板后缘构型数值研究 [J]. 弹箭与制导学报, 2010, 30(8): 108-112.

[7] 王应洋, 李旭昌, 吴振亚, 等. 乙烯超燃燃烧室支板/凹腔结构组合数值优化 [J]. 固体火箭技术, 2015, 38(5): 671-678.

[8] Andrew B Freeborn. Characterization of pylon effects on a scramjet cavity flame-holder flow field: AIAA 2008-86 [R]. 2008.

[9] 赵延辉. 基于凹腔-支板火焰稳定器的超声速燃烧室实验与数值模拟研究 [D]. 长沙: 国防科学技术大学, 2011.

[10] 李旭昌, 王应洋, 张成涛. 小支板后不同喷孔形状射流的气动特性 [J]. 空军工程大学学报(自然科学版), 2016, 17(2): 5-9.

[11] 杨阳. 超燃烧室火焰稳定技术的试验研究 [D]. 北京: 北京航空航天大学, 2012.

[12] Liang TIAN. Effect of second-stage configuration on combustion in a dual-struts based staged supersonic combustor: AIAA 2014-3780 [R]. 2014.

[13] 张弯洲, 乐嘉陵, 田野. 超燃发动机混合效率评估方法探讨 [J]. 航空动力学报, 2012, 27(9): 1958-1966.

Numerical Analysis of the Influence of Strut Configuration on the Mixture of Kerosene/Air

XIA Xuefeng,GAO Feng,WANG Hongyu,ZHANG Han

(Air and Missile Defense College, Air Force Engineering University, Xi’an 710051, China)

Numerical simulation with discrete phase model was made on scramjet combustor of five strut-cavity structures to study the influence of strut tail structure on the mixture characteristics of kerosene/air. The impacts to mixing performance, vortex structures and total pressure recoveries were obtained. Results showed that staggered slope plates and staggered wedge plates could improve the mixing efficiency of kerosene component, but it also brought greater resistance and total pressure loss. The wedge-shaped block with a small number of blocks was more prone to large-scale and large-energy streamwise vortex, which can effectively extend the combustible mixed zone. The wedge-shaped block with a large number of blocks was more conducive to the small scale mixing in the near field, but was not dominant in large scale mixing in the far field.

scramjet combustor; strut configuration; mixing efficiency; numerical analysis

2016-04-20

夏雪峰(1992-),男,四川遂宁人,硕士研究生,研究方向:航空推进理论与工程。

V231.3

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