張涵，吳達(dá)，王旭東

(空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院，西安　710051)

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乙烯超聲速燃燒室懸臂斜坡噴注器射流數(shù)值分析

張涵，吳達(dá)，王旭東

(空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院，西安710051)

超聲速燃燒室中燃料的摻混強(qiáng)化問(wèn)題越來(lái)越受到各國(guó)的重視，為了研究超聲速燃燒室中懸臂斜坡低動(dòng)壓噴射的流動(dòng)特性，通過(guò)數(shù)值模擬方法研究懸臂斜坡噴注器對(duì)乙烯射流的作用規(guī)律，對(duì)比分析有無(wú)懸臂、有無(wú)后掠以及不同懸臂構(gòu)型對(duì)流場(chǎng)的影響。結(jié)果表明：相對(duì)于傳統(tǒng)斜坡結(jié)構(gòu)，懸臂斜坡結(jié)構(gòu)可使流場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)摻混效果得到明顯改善，穿透深度增加；后掠結(jié)構(gòu)能有效增強(qiáng)流場(chǎng)流向渦，從而達(dá)到摻混增強(qiáng)的效果，但同時(shí)帶來(lái)更大的總壓損失；三角懸臂斜坡結(jié)構(gòu)相比于后掠懸臂斜坡結(jié)構(gòu)對(duì)流向渦增強(qiáng)效果不明顯，摻混效果弱于后掠懸臂斜坡結(jié)構(gòu)，但總壓損失較小；兩種后掠懸臂斜坡結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)特性差異不明顯。

超聲速燃燒室；懸臂斜坡；摻混增強(qiáng)；乙烯

0　引　言

燃料在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中的停留時(shí)間十分短暫，因此，關(guān)于超聲速燃燒室中燃料摻混強(qiáng)化的問(wèn)題成為了各國(guó)關(guān)注的熱點(diǎn)[1]。常見(jiàn)的強(qiáng)化摻混的措施包括設(shè)置凹腔、斜坡噴射、支板噴射等[2]。斜坡噴注器通過(guò)產(chǎn)生流向渦來(lái)促進(jìn)燃料混合，并發(fā)展出了懸臂斜坡、小斜坡、后掠斜坡、氣動(dòng)斜坡等多種噴注方式[3]。

國(guó)外，J.P.Sislian等[4-7]針對(duì)激波誘燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特性，結(jié)合小角度壁面噴注技術(shù)和傳統(tǒng)斜坡的特征，提出了懸臂斜坡噴注器的燃料噴射方案，結(jié)果表明，在超高速條件下，進(jìn)氣道內(nèi)的懸臂斜坡噴注器的摻混性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)斜坡；T.Arai等[8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法，在來(lái)流馬赫數(shù)分別為1.8和2.4的條件下，對(duì)比了類(lèi)似懸臂斜坡的噴注器和傳統(tǒng)斜坡噴注器產(chǎn)生的流向渦，證明前者明顯優(yōu)于后者。國(guó)內(nèi)，Huang Wei等[9]參考Donohue實(shí)驗(yàn)[10]所用的斜坡構(gòu)型，在超燃沖壓燃燒室內(nèi)運(yùn)用了懸臂斜坡構(gòu)型，并對(duì)該構(gòu)型進(jìn)行了數(shù)值優(yōu)化；畢東恒等[11]對(duì)激波誘燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)懸臂斜坡噴注器在進(jìn)氣道內(nèi)的氫氣摻混進(jìn)行了流場(chǎng)特性和混合效果的分析。

本文在文獻(xiàn)[4]和[9]的基礎(chǔ)上，針對(duì)超聲速燃燒室內(nèi)的懸臂斜坡進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，對(duì)比分析有無(wú)懸臂、有無(wú)后掠以及不同懸臂構(gòu)型對(duì)流場(chǎng)的影響。

1　模型與算例

1.1模型與網(wǎng)格劃分

超聲速燃燒室為一矩形截面的自由通道，其總長(zhǎng)為169 mm，截面尺寸為20 mm×32 mm。斜坡噴孔均為方孔(邊長(zhǎng)為2.4 mm)，距離燃燒室入口35 mm。為了分析有無(wú)懸臂、有無(wú)后掠以及不同懸臂構(gòu)型的流場(chǎng)特性的差異，本文設(shè)置六個(gè)算例(case 1～case 6)，其中，case 1[7]和case 4[9]分別為兩種不同的懸臂斜坡噴注器，case 2[10]為傳統(tǒng)膨脹斜坡，case 3[4]為無(wú)后掠懸臂斜坡，case 5[12]為小肋片改進(jìn)后的懸臂斜坡，case 6[6]為后掠角為負(fù)時(shí)的懸臂斜坡，所有算例中的斜坡構(gòu)型均保證噴孔高度、噴孔角度及斜坡膨脹角度一致。計(jì)算模型結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

(a) 三維燃燒室結(jié)構(gòu)示意圖

(b) case 4懸臂斜坡結(jié)構(gòu)示意圖

(c) case 1～case 6結(jié)構(gòu)示意圖 圖1　計(jì)算模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Structure schematic diagrams of calculation model

1.2算例驗(yàn)證及網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證SSTk-ω湍流模型對(duì)本文物理模型的數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，對(duì)文獻(xiàn)[9]中的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行算例驗(yàn)證。燃燒室與斜坡結(jié)構(gòu)如圖2所示。來(lái)流馬赫數(shù)Ma=2.0，總壓p0=262 kPa，靜壓p1=33.5 kPa，總溫T0=300 K，噴孔處氫氣噴射總壓p0jet=248 kPa，噴射靜壓p1jet=50.24 kPa，噴射總溫T0jet=300 K。

(a) 俯視圖

(b) 側(cè)視圖

(c) 主視圖 圖2　燃燒室與斜坡結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2　Schematic diagrams of combustor and slope structure

實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的溫度等值線(xiàn)對(duì)比如圖3所示，可以看出二者的溫度梯度分布趨勢(shì)基本一致。

斜坡底部與壁面接觸處x=0，z=0平面上沿y軸的壓強(qiáng)分布曲線(xiàn)如圖4所示，可以看出數(shù)值模擬的壓強(qiáng)值與實(shí)驗(yàn)值吻合較好。

綜合分析圖3～圖4，表明本文采用的SSTk-ω湍流模型是正確的、可取的。

(a) 實(shí)驗(yàn)溫度等值線(xiàn)圖

(b) 數(shù)值模擬溫度等值線(xiàn)圖 圖3　實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的溫度等值線(xiàn)對(duì)比圖Fig.3　Comparison of temperature contour between experiment and numerical simulation

圖4　x=0，z=0平面上沿y軸的壓強(qiáng)分布圖Fig.4　Pressure distribution of y axis in x=0，z=0 plane

為了驗(yàn)證200萬(wàn)網(wǎng)格的有效性，選用case 1模型的250萬(wàn)網(wǎng)格(Fine)、200萬(wàn)網(wǎng)格(Medium_1)、150萬(wàn)網(wǎng)格(Medium_2)和100萬(wàn)網(wǎng)格(Coarse)四個(gè)算例，并采用總壓損失系數(shù)作為表征參數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，如圖5所示。

圖5　網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證Fig.5　Grid independence verification

從圖5可以看出：200萬(wàn)網(wǎng)格和250萬(wàn)網(wǎng)格所得的曲線(xiàn)效果相似，即200萬(wàn)網(wǎng)格和250萬(wàn)網(wǎng)格所得結(jié)果的差別可忽略不計(jì)，證明選用200萬(wàn)網(wǎng)格可以滿(mǎn)足計(jì)算要求。

2　計(jì)算結(jié)果與分析

2.1懸臂斜坡噴注與傳統(tǒng)斜坡噴注的流場(chǎng)特性對(duì)比

case 1和case 2在距離噴孔x=25 mm處的乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖如圖6所示。

(a) case 1

(b) case 2 圖6　x=25 mm處的乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖Fig.6　Mass fraction contour of ethylene at x=25 mm

從圖6可以看出：case 1與case 2射流與主流摻混所得乙烯組分核心區(qū)域形狀相似，表明兩種構(gòu)型射流在來(lái)流中的擴(kuò)散趨勢(shì)基本相同；case 2在對(duì)稱(chēng)面處有部分射流趨向壁面擴(kuò)散，而case 1在該部位有明顯向上凸的趨勢(shì)，表明懸臂斜坡的設(shè)置有效避免了噴孔射流與壁面的接觸，若燃料摻混區(qū)貼近壁面，會(huì)極大地增加火焰在壁面的邊界層前傳的危險(xiǎn)，使燃料不能聚集在主流道中燃燒，進(jìn)而增大貼近壁面燃燒帶來(lái)的熱負(fù)荷；此外，case 1由于無(wú)貼近壁面的部分，使得羽流高度略高于case 2，表明case 1在來(lái)流遠(yuǎn)場(chǎng)沿高度方向的擴(kuò)散比case 2快，燃料和來(lái)流的摻混效果得到了一定提升。綜上所述，與傳統(tǒng)斜坡相比，懸臂斜坡在提高射流穿透深度以及避免射流燃料貼近壁面方面具有優(yōu)勢(shì)。

case 1和case 2在噴孔附近x=5 mm、z=0截面、燃燒室下壁面的壓強(qiáng)云圖與流線(xiàn)圖如圖7所示。

(a) case 1

(b) case 2 圖7　x=5 mm、z=0截面、燃燒室下壁面處的 壓強(qiáng)云圖與流線(xiàn)圖Fig.7　Pressure contours and streamlines at symmetry,x=5 mm and down wall plane

從z=0的壓強(qiáng)云圖可以看出：case 1和case 2在斜坡前沿均形成了較強(qiáng)的激波a、在緊貼噴孔射流上方形成了較弱的弓形激波b，且兩種構(gòu)型的激波角度及強(qiáng)度十分相似，其原因是兩種構(gòu)型在來(lái)流主流接觸的構(gòu)型相同，使得二者的射流在來(lái)流擴(kuò)散趨勢(shì)相似；case 1在噴孔下部靠近壁面處產(chǎn)生了激波c，該激波使流線(xiàn)在該處上升，對(duì)射流直接作用，使射流在此處有明顯的抬升作用，致使case 1在對(duì)稱(chēng)面的云圖下部有明顯的凸起趨勢(shì)，而case 2的底部激波十分弱，流場(chǎng)燃料的摻混與抬升作用由位于主流的一對(duì)流向渦主導(dǎo)，對(duì)比x=5 mm處兩種構(gòu)型的主流向渦，case 1的主流向渦范圍明顯大于case 2，表明case 1的射流摻混效果強(qiáng)于case 2，此外，在下壁面處產(chǎn)生了一對(duì)較小的流向渦，該對(duì)流向渦導(dǎo)致case 2壁面處燃料的擴(kuò)散。

從z=0的流線(xiàn)圖可以看出：case 2在噴孔下方靠近壁面處出現(xiàn)了展向渦，該展向渦將噴孔射流部分燃料卷入貼近壁面的部位，從而影響射流與來(lái)流主流的摻混。

以上即為懸臂斜坡噴注器在摻混效果及燃料組分抬升方面優(yōu)于傳統(tǒng)斜坡的機(jī)理原因。

為了定量分析懸臂構(gòu)型對(duì)射流流場(chǎng)的影響，對(duì)比分析懸臂斜坡與傳統(tǒng)斜坡?lián)交煨师莔[13]與羽流質(zhì)量中心高度曲線(xiàn)hz[14]，如圖8所示。

(a) 摻混效率

(b) 羽流質(zhì)量中心高度 圖8　摻混效率與穿透深度Fig.8　Mixing efficiency and plume mass center height

從圖8(a)可以看出：case 1的摻混效率在流場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)得到了迅速提升并取得了一定優(yōu)勢(shì)，這與激波誘燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)懸臂斜坡噴注器的仿真結(jié)果[5]相似。

從圖8(b)可以看出：由于主流的帶動(dòng)，case 1和case 2在x為40～80 mm范圍內(nèi)均有不同程度的下降再上升或上升速度趨于平緩，但懸臂斜坡噴注器的羽流質(zhì)量高度始終高于傳統(tǒng)斜坡。

綜上所述，懸臂斜坡噴注器能有效提高燃料摻混效率及羽流質(zhì)量中心高度，燃料與空氣摻混效果明顯增強(qiáng)。

2.2后掠結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)特性的影響

case1和case3在x=85 mm處的乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)等值線(xiàn)如圖9所示。

(a) case 1

(b) case 3 圖9　乙烯x=85 mm處質(zhì)量分?jǐn)?shù)等值線(xiàn)圖Fig.9　Mass fraction contour of ethyleneat x=85 mm

從圖9可以看出：case 1的濃度梯度明顯小于case 3，即在x=85 mm截面上，case 1射流與主流的摻混程度優(yōu)于case 3，表明后掠結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了燃料摻混，提高了燃燒效率。

case 1和case 3在z=0處的壓強(qiáng)云圖與流線(xiàn)圖如圖10所示。

(a) case 1

(b) case 3 圖10　對(duì)稱(chēng)面壓強(qiáng)云圖與流線(xiàn)圖Fig.10　Pressure contourand streamlines at symmetry

從圖10可以看出：case 1和case 3均在斜坡前沿形成了較強(qiáng)的激波a、在噴孔射流上方形成了較弱的弓形激波b、在噴孔下部靠近壁面處形成了激波c，case 1在斜坡前沿及噴孔下部的激波a和c的強(qiáng)度明顯大于case 3，其原因是后掠斜坡對(duì)兩側(cè)壁面來(lái)流的擠壓作用造成了總壓損失的增大。

為了定量分析case1和case3的流場(chǎng)特性差異，對(duì)比分析兩種構(gòu)型燃燒室混合效率ηm與總壓損失系數(shù)[15]，如圖11所示。

(a) 摻混效率

(b) 總壓損失系數(shù) 圖11　摻混效率與總壓損失系數(shù)曲線(xiàn)Fig.11　Mixing efficiency and total pressure loss coefficient

從圖11可以看出：后掠結(jié)構(gòu)導(dǎo)致流向渦增強(qiáng)，使得后掠懸臂斜坡的摻混效率明顯優(yōu)于無(wú)后掠懸臂斜坡，混合效率得到了明顯提高；但后掠結(jié)構(gòu)的存在使得后掠懸臂斜坡的總壓損失明顯大于無(wú)后掠懸臂斜坡。該結(jié)果與上文的定性、機(jī)理分析所得出的結(jié)論一致。

2.3不同懸臂構(gòu)型的流場(chǎng)特性分析

為了進(jìn)一步分析不同懸臂構(gòu)型對(duì)流場(chǎng)特性的影響，給出case 1、case 4、case 5和case 6四種構(gòu)型在x為5、15和35 mm截面處的渦量云圖與流線(xiàn)圖，如圖12所示，可以看出：

①在x=5 mm截面處，case 5、case 6的渦核高度明顯低于case 1、case 4，隨著x的增加，case 5、case 6流向渦的渦核高度抬升程度也弱于case 1、case 4，且高渦量區(qū)高度亦低于case 1、case 4，表明三角懸臂結(jié)構(gòu)由于類(lèi)似無(wú)后掠結(jié)構(gòu)導(dǎo)致對(duì)流向渦的增強(qiáng)作用弱于后掠懸臂結(jié)構(gòu)；

②case 6的渦核直徑明顯小于其他構(gòu)型，表明流向渦對(duì)射流的摻混作用也相應(yīng)地弱于懸臂后掠結(jié)構(gòu)；

③對(duì)比case 1與case 4，發(fā)現(xiàn)兩種構(gòu)型產(chǎn)生的流向渦渦核高度及直徑均十分相似，高渦量區(qū)面積也接近相等，表明這兩種懸臂后掠結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)的促進(jìn)作用相似。

(a) case 1

(b) case 4

(c) case 5

(d) case 6 圖12　x為5、15和35 mm處的渦量云圖與流線(xiàn)圖Fig.12　Vorticity contour and streamlines atx=5 mm,x=15 mm,x=35 mm

為了定量分析case 1、case 4、case 5和case 6四種構(gòu)型的流場(chǎng)特性，對(duì)比分析它們的可燃混合區(qū)面積Af/Ai(Ai為噴孔面積)[16]、沿程混合效率ηm、羽流質(zhì)量中心高度hz以及總壓損失系數(shù)，如圖13所示。

(a) 可燃混合區(qū)面積

(b) 混合效率

(c) 羽流質(zhì)量中心高度

(d) 總壓損失 圖13　混合特性參數(shù)比較Fig.13　Comparison of mixed characteristic parameters

從圖13可以看出：case 1和case 4這兩種懸臂斜坡構(gòu)型的各個(gè)混合特性參數(shù)均近似，表明二者摻混特性差別不大；由于case 5、case 6構(gòu)型產(chǎn)生的流向渦弱于case 1、case 4構(gòu)型，case 5、case 6的混合效率Af、沿程混合效率ηm的增加速度明顯弱于case 1、case 4；盡管在x為40～80 mm范圍內(nèi)，case 1、case 4由于主流影響出現(xiàn)下降，case 5出現(xiàn)短暫優(yōu)勢(shì)，但從整體來(lái)看，case 5、case 6的數(shù)值亦不理想，其原因是case 5、case 6的流向渦核心高度過(guò)低，致使構(gòu)型對(duì)射流的抬升作用不夠明顯；case 1、case 4擁有后掠結(jié)構(gòu)，給二者帶來(lái)更大的總壓損失。綜上所述，后掠懸臂斜坡構(gòu)型由于射流中流向渦強(qiáng)于其他兩種構(gòu)型，摻混特性明顯優(yōu)于三角斜坡構(gòu)型，但也帶來(lái)更大的總壓損失，且兩種不同的后掠懸臂斜坡噴注器的流場(chǎng)特性相似。

3　結(jié)　論

(1) 相對(duì)于傳統(tǒng)斜坡結(jié)構(gòu)，懸臂斜坡結(jié)構(gòu)使流場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)摻混效果得到明顯改善，穿透深度增加，但羽流質(zhì)量中心高度由于主流的影響在x為40～80 mm范圍內(nèi)出現(xiàn)下降再上升的現(xiàn)象。

(2) 后掠結(jié)構(gòu)能有效增強(qiáng)流場(chǎng)流向渦，從而達(dá)到增強(qiáng)摻混的效果，但同時(shí)帶來(lái)更大的總壓損失。

(3) 三角懸臂斜坡結(jié)構(gòu)相比于后掠懸臂斜坡結(jié)構(gòu)對(duì)流向渦增強(qiáng)效果不明顯，摻混效果弱于后掠懸臂斜坡結(jié)構(gòu)，但總壓損失較小。兩種后掠懸臂斜坡結(jié)構(gòu)流場(chǎng)特性差異不明顯，摻混效果相似。

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(編輯：馬文靜)

Numerical Analysis on Supersonic Combustion Using Ethylene with Cantilevered Ramp Injector

Zhang Han, Wu Da, Wang Xudong

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

The mixing enhancement problem of fuel in combustor of scramjet becomes more and more attractive. To analyze flow characteristics of the cantilevered ramp injector in supersonic combustion, the numerical simulation is carried out to investigate the effects of cantilevered ramp injector on ethylene injection. Several conditions are carried to analyze the influence of the flow field, such as: with and without cantilevered, swept and non-swept structures, and different kinds of cantilevered structure. It is found that the cantilevered ramp structure can enhance the mixing effects and increase penetration depth, comparing with traditional ramp injectors. Swept structure can effectively enhance the stream-wise vorticity in the flow field, so as to enhance the mixing effects, but bring higher total pressure loss. Triangular cantilevered structure cannot enhance the stream-wise vorticity, and so as not to enhance the mixing effects, but bring lower total pressure loss. There is no obvious difference in flow fields between two kinds of swept cantilevered ramp structures.

supersonic combustion; cantilevered ramp; mixing enhancement; ethylene

2016-05-05；

2016-05-30

張涵,815564149@qq.com

1674-8190(2016)03-286-08

V231.3

A

10.16615/j.cnki.1674-8190.2016.03.004

張涵(1992-)，男，碩士研究生。主要研究方向：飛行器論證、設(shè)計(jì)與作戰(zhàn)使用。

吳達(dá)(1978-)，男，副教授，碩導(dǎo)。主要研究方向：飛行器論證、設(shè)計(jì)與作戰(zhàn)使用。

王旭東(1991-)，男，碩士研究生。主要研究方向：超聲速流動(dòng)控制。