基于气动斜坡的超燃燃烧室数值模拟及试验研究

admin · 发表于 2024-2-6 18:07:06

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如何实现碳氢燃料在超燃冲压发动机燃烧室中的稳定点火和高效燃烧，一直是超燃冲压发动机研究的热点，为此各国学者提出了多种多样增进掺混和稳定火焰的燃料喷注方式。本文提出了一种新型被动式燃料掺混增强技术—气动斜坡与燃气发生器组合燃料喷注技术，并针对这种新型组合喷注器进行了超声速燃烧的数值仿真和试验研究。运用Fluent软件对燃烧室流场进行了冷态和燃烧模拟，针对气动斜坡形成流向涡以及燃气发生器增进燃料掺混的过程进行了详细的研究。采用单步化学反应模型对燃烧流场进行了模拟，获得了与试验结果一致的仿真结果。研究表明燃气发生器引入后，气动斜坡产生的流向涡得到了明显增强，从而显著提高了气动斜坡的掺混能力。在仿真工作的基础上设计了可实现多段气动斜坡组合点火的超燃冲压发动机燃烧室，并设计了4种气动斜坡喷注单元，以乙烯为燃料，在约1kg/s试验气流中开展了超声速燃烧试验，在模拟飞行马赫数5（燃烧室入口Ma2）、当量比0.3~1.22范围内实现了稳定的燃烧，经冲量分析法计算得到不同组合结构燃烧效率在0.54~0.97范围内变化。针对单级燃烧方案出现的压力分布不均，易发生溢流等题目，采用多级燃烧方案，即分段布置气动斜坡喷注器，则缓解了溢流的产生。研究了不同喷注单元组合形式及喷注器布置位置对燃烧效率的影响。发现在多级燃烧方案中，喷注器同侧布置燃烧效率高于异侧布置。该现象源于上游喷注点下游温度分布不均匀。研究得到了以燃烧效率最高为衡量标准的最佳喷注单元组合形式。对比了单独气动斜坡与气动斜坡/燃气发生器组合方案的数值仿真和试验结果，分析了燃气发生器的点火和助燃性能。通过对比燃料羽流质量中心高度、无量纲羽流横截面积、最大浓度衰减曲线等参数，发现燃气发生器对燃料与主流掺混起着重要的促进作用。试验结果显示燃气发生器停止工作后，燃烧室也随之熄火，证明燃气发生器不仅起着点火器的作用，也起着不可缺少的助燃和火焰稳定作用。

基于气动斜坡的超燃燃烧室数值模拟及试验研究

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