田 野, 樂嘉陵, 楊順華, 鐘富宇

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 吸氣式高超聲速技術(shù)研究中心, 四川 綿陽 621000)

0 引 言

燃料噴注當(dāng)量比不僅影響超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒模態(tài)，更直接影響著燃燒流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)。燃料噴注當(dāng)量比過大，可能會(huì)引起燃燒反壓較高而激波串被推出隔離段，影響進(jìn)氣道的起動(dòng)；當(dāng)量比過小，直接導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的推力不足，甚至出現(xiàn)貧油熄火。因此，研究不同當(dāng)量比下的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能具有重要意義。

目前國(guó)內(nèi)外發(fā)表了很多關(guān)于當(dāng)量比對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能影響的文章。文獻(xiàn)[1]研究了燃料噴注當(dāng)量比對(duì)燃燒模態(tài)的影響，結(jié)果表明，隨著燃料當(dāng)量比的增加，燃燒室燃燒模態(tài)由超燃轉(zhuǎn)變?yōu)閬喨?。文獻(xiàn)[2]在試驗(yàn)中通過提高燃料噴注當(dāng)量比，使得雙模態(tài)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)從低推力的弱燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咄屏Φ膹?qiáng)燃燒模態(tài)。文獻(xiàn)[3]研究了不同當(dāng)量比條件下超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室流場(chǎng)性能，給出了釋熱速率的計(jì)算方法，提出了模態(tài)形成過程中釋熱和流動(dòng)速度的反饋平衡機(jī)理，并給出了3種燃燒模態(tài)及其特征。文獻(xiàn)[4]利用二維非定常化學(xué)非平衡計(jì)算方法研究了當(dāng)量比對(duì)超燃發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火過程的影響。結(jié)果表明，總油氣比越高，燃料傳播速度越快; 燃料首先沿著剪切層傳播至凹槽后緣，之后在凹槽旋渦的帶動(dòng)下向凹槽上游和底部傳播；凹槽回流區(qū)溫度高，點(diǎn)火延遲時(shí)間短，低油氣比的氣體一旦進(jìn)入凹槽回流區(qū)后，即可在凹槽后緣和上方點(diǎn)火。文獻(xiàn)[5]采用歐拉-拉格朗日法在來流Ma=2的條件下，對(duì)帶支板凹腔組合結(jié)構(gòu)的煤油超燃燃燒室的內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析了燃燒室下游支板不同的燃料當(dāng)量比對(duì)燃燒室燃燒流場(chǎng)的影響，并對(duì)燃燒室的性能作了定量分析。研究表明，隨下游支板燃料當(dāng)量比增加，燃燒反壓對(duì)燃燒室上游影響加重，流動(dòng)分離區(qū)擴(kuò)大，上游燃料出現(xiàn)亞聲速燃燒，且亞聲速燃燒區(qū)域變大。文獻(xiàn)[6]通過調(diào)節(jié)燃料氫噴射壓力參數(shù)從而改變油氣當(dāng)量比，分別在冷態(tài)噴流與燃燒情況下計(jì)算了當(dāng)量比對(duì)流場(chǎng)波系及燃料與空氣的摻混燃燒特性的影響。研究表明，當(dāng)量比增加會(huì)導(dǎo)致燃燒反壓升高，上游邊界層分離區(qū)擴(kuò)大，激波串逐漸被推向燃燒室進(jìn)口。

由此可見，燃料噴注當(dāng)量比對(duì)燃燒流場(chǎng)有較大影響。本文將采用試驗(yàn)方法研究不同當(dāng)量比的氫氣燃燒的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律，同時(shí)，考察多種非接觸光學(xué)測(cè)量手段在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒流場(chǎng)診斷中的應(yīng)用，尤其是多種非接觸光學(xué)測(cè)量手段的同步測(cè)量研究。

1 試驗(yàn)測(cè)量方法

1.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心3kg/s氫氧脈沖燃燒風(fēng)洞上開展，風(fēng)洞運(yùn)行時(shí)間約為450ms。試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示，該直連式模型的大量基礎(chǔ)研究工作已發(fā)表[7-11]，其詳細(xì)尺寸不再介紹。發(fā)動(dòng)機(jī)入口截面為30mm×150mm，隔離段長(zhǎng)300mm，凹槽深11mm，長(zhǎng)深比為11，模型全長(zhǎng)約為1.1m。氫氣燃料的噴注位置位于凹槽內(nèi)，距離凹槽前臺(tái)階15mm，展向分布15個(gè)Φ1mm的圓形噴孔。2個(gè)火花塞位于凹槽后部，用于點(diǎn)燃?xì)錃狻?/p>

1.2 試驗(yàn)測(cè)量方法

試驗(yàn)過程中除了采用傳統(tǒng)的壁面壓力測(cè)量外，還使用了多種非接觸光學(xué)測(cè)量方法，包括紋影、陰影、高速攝影、差分干涉和OH*-PLIF。同時(shí)，本文在試驗(yàn)中利用多種光學(xué)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行同步測(cè)量。多種非接觸光學(xué)測(cè)量手段的同步使用，可以使得流場(chǎng)內(nèi)某一時(shí)刻的結(jié)構(gòu)被不同測(cè)量設(shè)備同時(shí)獲取，通過對(duì)比可從不同角度獲得同一流場(chǎng)的相關(guān)信息，達(dá)到相互補(bǔ)充、相互印證的目的。試驗(yàn)中進(jìn)行了紋影、差分干涉與PLIF的同步測(cè)量，可將火焰分布與流場(chǎng)結(jié)構(gòu)結(jié)合起來。其中紋影與PLIF同步測(cè)量的光路圖見圖2, 連續(xù)激光器發(fā)出的激光經(jīng)反射鏡和紋影鏡后到達(dá)流場(chǎng)測(cè)試區(qū)，通過流場(chǎng)測(cè)試區(qū)后由二向色分光鏡分光。同時(shí)脈沖激光器激發(fā)的熒光也在測(cè)試區(qū)內(nèi)，OH*信息被ICCD收集，紋影信息被高速相機(jī)收集。這樣通過PLIF與紋影的同步測(cè)量便獲得了流場(chǎng)內(nèi)的同步信息，可進(jìn)行分析和對(duì)比。

Fig.2ThesynchronousmeasurementpathdiagramofschlierenandPLIF

1.3 試驗(yàn)時(shí)序和研究狀態(tài)

試驗(yàn)時(shí)序如圖3所示，脈沖燃燒風(fēng)洞的加熱器供氫開始時(shí)間為t=0.08s，試驗(yàn)的有效時(shí)間約為440ms (0.26～0.70s)。燃燒室內(nèi)氫燃料的噴注時(shí)間為t=0.27～0.57s。試驗(yàn)研究狀態(tài)見表1，熱流的氫氣當(dāng)量比變化范圍為0.04～0.30。隔離段入口馬赫數(shù)2.0，總壓0.82MPa，總溫950K。常溫(295K) 氫氣垂直壁面噴入。

圖3 試驗(yàn)時(shí)序圖Fig.3 Schematic of the experiment

表1 各研究狀態(tài)Table 1 The studied cases

2 結(jié)果與討論

2.1 當(dāng)量比對(duì)燃燒模態(tài)影響研究

圖4給出了各研究狀態(tài)的壁面壓力分布測(cè)量結(jié)果，同時(shí)給出了發(fā)動(dòng)機(jī)流道擴(kuò)張面積曲線(Flowpath)，用于考察不同位置測(cè)量點(diǎn)的壓力分布情況?？梢钥闯?壁面壓力隨著氫氣當(dāng)量比的升高而增大，即較高的當(dāng)量比氫氣帶來了較大的熱量釋放，提高了壁面壓力。case 3和6的燃燒反壓已經(jīng)前擾至隔離段內(nèi)，擾動(dòng)位置距離隔離段出口均為0.1m，兩者壁面壓力突然躍升的位置均位于燃料噴入位置上游。其他研究狀態(tài)(case 1,2,4,5)則與之不同。按照 Cabell[12]的結(jié)論, 壓力突然上升的位置與燃料噴注位置的相對(duì)位置可以用來判斷燃燒模態(tài)。由于超燃模態(tài)沒有較大的流動(dòng)分離，因此壓力突躍點(diǎn)不會(huì)超過噴油位置太遠(yuǎn)；相反，亞燃模態(tài)流動(dòng)分離較大，壓力突躍點(diǎn)一定位于噴油點(diǎn)上游。據(jù)此判定case 3和6是亞燃模態(tài)，其他狀態(tài)則為超燃模態(tài)。

圖4 各研究狀態(tài)下的壁面壓力試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果Fig.4 Experimental wall pressure of the studied cases

2.2 當(dāng)量比對(duì)燃燒流場(chǎng)結(jié)構(gòu)影響研究

由于燃料燃燒釋放的熱量會(huì)改變流場(chǎng)內(nèi)的溫度，進(jìn)而改變流場(chǎng)內(nèi)的密度，因此可以采用紋影與差分干涉相結(jié)合的測(cè)量方法考察流場(chǎng)結(jié)構(gòu)變化。這里選擇2個(gè)典型的研究狀態(tài)開展光學(xué)測(cè)量研究，超燃模態(tài)(case 2)和亞燃模態(tài)(case 3)。case 2和3不同時(shí)刻的紋影照片分別顯示于圖5和6中，流動(dòng)方向從左至右。從圖中可以看出，氫氣在0.2712s時(shí)已經(jīng)噴注進(jìn)入流場(chǎng)內(nèi)，在噴注位置前端產(chǎn)生了斜激波，斜激波與對(duì)面壁面相撞后反射。氫氣燃燒開始于0.2740s，且位于凹槽回流區(qū)和主流形成的剪切層內(nèi)。很快，由于凹槽內(nèi)的回流區(qū)變大，凹槽下部剪切層被“抬進(jìn)”主流，凹槽前臺(tái)階的膨脹波轉(zhuǎn)為斜激波?；鹧娣€(wěn)定存在于剪切層內(nèi)，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)也相對(duì)穩(wěn)定。在t=0.4678s時(shí)，剪切層位置前端開始產(chǎn)生斜激波。圖6顯示的case 3的燃燒流場(chǎng)信息和case 2的情況類似，在t=0.2712s時(shí)可以看到氫氣噴注進(jìn)入流場(chǎng)內(nèi)，燃燒開始于剪切層內(nèi)，激波隨之在t=0.2740s產(chǎn)生。但與case 2不同的是，在t=0.2810s時(shí)，激波向前移動(dòng)至隔離段內(nèi)，并且t=0.3352s時(shí)在觀察范圍內(nèi)看不到激波串。這是因?yàn)楫?dāng)量比較大時(shí)，燃燒反壓較大，激波串被前推的位置較遠(yuǎn)。這一點(diǎn)在圖4中也可以得到很好的解釋。在t=0.2810s時(shí)，圖5中給出了凹槽部位的局部波系結(jié)構(gòu)，其中“a”為氫氣射流，“b”為由于凹槽內(nèi)燃燒膨脹而產(chǎn)生的斜激波，“c”為由于激波與邊界層作用而產(chǎn)生了分離區(qū)，進(jìn)而產(chǎn)生的分離激波，“d”為斜激波與斜激波的反射波系。

圖5 Case 2不同時(shí)刻燃燒流場(chǎng)的紋影圖片F(xiàn)ig.5 Schlieren figures of case 2 at different times

圖7和8給出了2種狀態(tài)(case 2和3)不同時(shí)刻的差分干涉照片。與紋影照片相比，在t=0.2715s時(shí)可以得到相同的流場(chǎng)信息，即氫氣噴入流場(chǎng)內(nèi)和激波的產(chǎn)生?；鹧娴陌l(fā)展過程與紋影照片也比較類似，但是差分干涉在火焰穩(wěn)定性方面給出了很好的顯示。在t=0.2815s，圖7中可以清楚地在凹槽內(nèi)看到干涉條紋，但是圖8中卻看不到。由于干涉條紋反應(yīng)流場(chǎng)密度的變化情況，因此可以說case 2在t=0.2815s后，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)，凹槽內(nèi)的密度變化穩(wěn)定，而case 3的燃燒流場(chǎng)卻不穩(wěn)定。

圖6 Case 3不同時(shí)刻燃燒流場(chǎng)的紋影圖片F(xiàn)ig.6 Schlieren figures of case 3 at different times

圖7 Case 2不同時(shí)刻燃燒流場(chǎng)的差分干涉圖片F(xiàn)ig.7 Differential interferometry figures of case 2 at different times

圖8 Case 3不同時(shí)刻燃燒流場(chǎng)的差分干涉圖片F(xiàn)ig.8 Differential interferometry figures of case 3 at different times

圖9和10給出了case 2和3研究狀態(tài)下的燃燒火焰發(fā)光照片。case 2的火焰穩(wěn)定存在于凹槽下部剪切層內(nèi)，和前邊的討論結(jié)果一致。但case 3的火焰則不穩(wěn)定，隨著燃燒劇烈程度的改變，火焰開始向下壁面?zhèn)鞑?，并且在t=0.3145～0.4275s時(shí)，沿著下壁面開始向上游傳播。這種不穩(wěn)定現(xiàn)象和之前差分干涉得到的結(jié)論一致。當(dāng)量比的提高使得燃燒更加劇烈，這點(diǎn)從圖11中底部觀察窗的照相結(jié)果也可以看出。

為清楚地顯示火焰的位置變化情況，圖12(a)和(b)給出了case 2和3的OH*-PLIF照片。由于OH*是氫氣燃燒的中間產(chǎn)物，因此可以用來標(biāo)記火焰的大概位置。從圖中可以看出，case 2的OH*分布于凹槽下部的剪切層內(nèi)，意味著氫氣進(jìn)入了剪切層后與空氣混合，并點(diǎn)火燃燒，這與前文分析的結(jié)論一致。但是case 3的OH*則不僅存在于凹槽下部的剪切層內(nèi)，同樣存在于主流內(nèi)，意味著氫氣不僅僅在剪切層內(nèi)燃燒，也同樣燃燒于主流內(nèi)。這是因?yàn)檩^大的熱釋放導(dǎo)致激波前移，激波進(jìn)入隔離段內(nèi)與邊界層相互作用，致使邊界層分離，而同時(shí)邊界層分離也促進(jìn)了燃料的混合，增強(qiáng)了燃燒，因此火焰得以向主流內(nèi)發(fā)展。從case 3的OH*變化過程可以看出，流場(chǎng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。圖13(a)～(d)給出了不同光學(xué)測(cè)量手段同步使用得到的合成結(jié)果，用于考察不同方法的對(duì)比。多種光學(xué)測(cè)量手段的同步應(yīng)用可在同一時(shí)刻獲取不同的流場(chǎng)信息，并能夠相互補(bǔ)充和印證。本文中的紋影、差分干涉和PLIF的同步測(cè)量，可以獲得流動(dòng)結(jié)構(gòu)與火焰的耦合測(cè)量結(jié)果。從結(jié)果的對(duì)比中可以看出，多種方法反映的流場(chǎng)信息基本一致。

圖9 Case 2不同時(shí)刻燃燒流場(chǎng)的側(cè)板直接照相圖片F(xiàn)ig.9 Flame luminosity figures of case 2 at different times

圖10 Case 3不同時(shí)刻燃燒流場(chǎng)的側(cè)板直接照相圖片F(xiàn)ig.10 Flame luminosity figures of case 3 at different times

圖11 Case 2和3某時(shí)刻燃燒流場(chǎng)的底板直接照相圖片

Fig.11Flameluminosityfiguresofcase2and3(takenfrombottomwall)

(a) case 2的OH*-PLIF照片

(b) case 3 的OH*-PLIF照片

(a) case 2的陰影與PLIF合成結(jié)果

(b) case 2的差分干涉與PLIF合成結(jié)果

(c) case 3的差分干涉與PLIF合成結(jié)果

(d) case 3的陰影與直接照相合成結(jié)果

Fig.13Thesynchronousmeasurementpicturesofseveralmeasurementmethodsofcase2andcase3

按照Micka[14]和 Sun[15]的分析, case 2的火焰存在于剪切層內(nèi)，并處于穩(wěn)定燃燒狀態(tài)，這種穩(wěn)焰模式是凹槽剪切層穩(wěn)焰模式。Case 3的火焰則不僅存在于剪切層內(nèi)，同樣存在于主流內(nèi)，這被稱為剪切層與凹槽共同作用的穩(wěn)焰模式。按照前文的討論，本文研究的氫氣燃燒模態(tài)分為2種：超燃模態(tài)(case 2，4和5)與亞燃模態(tài)(case 3和6)，因此，可以說超燃燃燒模態(tài)的穩(wěn)焰模式是剪切層穩(wěn)焰模式，亞燃燃燒模態(tài)的穩(wěn)焰模式是剪切層與凹槽共同作用的穩(wěn)焰模式。

研究表明：不同當(dāng)量比氫氣的燃燒與火焰穩(wěn)定模式不同。氫燃料的當(dāng)量比變化范圍從0.04到0.30(見表1)，通過改變?nèi)剂系漠?dāng)量比，燃燒室的燃燒模態(tài)有超燃和亞燃2種。對(duì)于本文研究的5個(gè)氫氣燃燒狀態(tài)，當(dāng)當(dāng)量比小于或等于0.17時(shí)，燃燒模態(tài)為超燃，火焰穩(wěn)定模式為凹槽下部剪切層穩(wěn)焰模式；當(dāng)當(dāng)量比大于0.17時(shí)，燃燒模態(tài)為亞燃，火焰穩(wěn)定模式為凹槽回流區(qū)穩(wěn)焰模式。當(dāng)燃燒模式為亞燃模式時(shí)，燃燒不穩(wěn)定，流動(dòng)呈現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。從多種測(cè)量方法對(duì)火焰形態(tài)以及流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的捕捉照片中可以看出，當(dāng)氫氣的當(dāng)量比較小時(shí)，火焰是連續(xù)分布而穩(wěn)定的，集中存在于剪切層內(nèi)；隨著當(dāng)量比的升高，火焰分布不穩(wěn)定，且不再連續(xù)，呈破碎狀，時(shí)而分布于上壁面，時(shí)而分布于上下壁面之間。

3 結(jié) 論

采用試驗(yàn)測(cè)量方法研究了不同當(dāng)量比氫氣燃燒流場(chǎng)的火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律和燃燒流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，并討論了氫氣的燃燒模態(tài)和火焰穩(wěn)定模式，試驗(yàn)測(cè)量過程中采用了多種非接觸光學(xué)測(cè)量方法，主要結(jié)論為：

在所研究的5個(gè)狀態(tài)中，當(dāng)氫氣當(dāng)量比大于0.17時(shí)，燃燒模態(tài)為亞燃。燃燒流場(chǎng)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，火焰分布呈現(xiàn)破碎狀，在燃燒室上下壁面之間來回傳播，火焰穩(wěn)定模式為凹槽回流區(qū)與剪切層共同作用的穩(wěn)焰模式。當(dāng)量比小于0.17時(shí)，燃燒模態(tài)為超燃。燃燒流場(chǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，火焰呈現(xiàn)連續(xù)分布式，穩(wěn)定分布于凹槽下部剪切層內(nèi)，火焰穩(wěn)定模式為剪切層穩(wěn)焰模式。多種非接觸光學(xué)測(cè)量的同步使用，可以使得流場(chǎng)內(nèi)某一時(shí)刻的結(jié)構(gòu)被不同測(cè)量手段同時(shí)獲取，通過對(duì)比可從不同角度獲得相同的流場(chǎng)信息，做到相互補(bǔ)充、相互印證。