单边扩张型超声速燃烧室凹腔流动与燃烧的数值模拟和实验研究

论文摘要

本文以单边扩张型超声速燃烧室凹腔火焰稳定器的冷流和燃烧流场结构为研究对象,采用实验和数值模拟相结合的方法,重点关注凹腔布置位置（扩张面或水平面）、扩张倾角对稳焰凹腔冷流流场结构和燃烧组织的影响。对在燃烧室不同位置布置凹腔的冷流流场进行了实验和二维大涡模拟研究并对比了扩张倾角的影响。结果显示,相较于等直燃烧室,扩张型燃烧室内凹腔剪切层向凹腔内部偏转,并且扩张倾角愈大,这种趋势愈加明显;扩张倾角的改变会影响凹腔剪切层撞击激波的强度以及凹腔内主回流区的大小,但对主要的流场结构影响不大。研究了凹腔上游横向喷注燃料的无反应喷流流场。燃料喷流柱经过凹腔时,只有小部分背风区的燃料在凹腔剪切层作用下卷吸进入凹腔内部,大部分燃料跨过凹腔进入下游区域,流场中的激波波系与燃料喷流相互作用有利于燃料喷流混合层的失稳及燃料-空气混合;与等直燃烧室相比,3.5度燃烧室凹腔剪切层向凹腔内部偏转,燃料喷流也在主流的作用下和剪切层偏转的诱导下向凹腔内部偏转,同时与凹腔剪切层的相互作用更强,这有利于凹腔内外的质量与能量交换;3.5度燃烧室总体的混合效率和总压损失较低。采用实验和数值模拟研究了凹腔上游横向喷流的燃烧流场结构和燃烧区分布规律。结果显示,对于同一扩张倾角,水平面布置凹腔时凹腔内部的燃烧相对扩张面布置凹腔时较弱,同时燃烧区及压力峰值位置稍微偏向下游;适当增加凹腔的尺寸可以明显扩展燃烧区的分布范围,提高凹腔内部及下游的压力;与等直燃烧室相比,3.5度燃烧室燃料喷流更加偏离下壁面而深入主流,燃料喷流与剪切层的相互作用较弱,这不利于凹腔稳定的燃烧,但总的燃烧效率和总压损失更高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 超声速燃烧凹腔火焰稳定器
• 1.1.1 凹腔流场结构
• 1.1.2 凹腔燃烧流场与火焰稳定
• 1.2 燃烧室构型影响
• 1.3 论文主要研究内容
• 第二章 试验与测量系统
• 2.1 超声速燃烧试验系统
• 2.1.1 管路供应系统
• 2.1.2 空气加热器
• 2.1.3 燃烧室模型
• 2.2 流场诊断技术
• 2.2.1 高速摄影火焰成像
• 2.2.2 自发辐射成像
• 2.2.3 压力扫描阀
• 2.3 小结
• 第三章 超声速湍流流动与燃烧数值模拟方法
• 3.1 大涡模拟控制方程
• 3.1.1 多组分气体流动控制方程
• 3.1.2 大涡模拟滤波方程及封闭模型
• 3.1.3 基于化学非平衡流模型的大涡模拟
• 3.2 混合RANS/LES方法
• 3.2.1 近壁区域的S-A RANS模型
• 3.2.2 经典DES方法
• 3.2.3 基于S-A的混合RANS/LES模型
• 3.3 数值方法
• 3.3.1 空间离散过程
• 3.3.2 时间积分方法
• 3.4 算例验证
• 3.4.1 冷流流场
• 3.4.2 燃烧流场
• 3.5 小结
• 第四章 单边扩张型超声速燃烧室二维数值模拟
• 4.1 冷流流场结构研究
• 4.1.1 冷流流场基本特征
• 4.1.2 扩张倾角的影响
• 4.2 燃烧流场结构研究
• 4.2.1 燃烧流场基本特征
• 4.2.2 扩张倾角的影响
• 4.3 小结
• 第五章 单边扩张型超声速燃烧室燃烧流场实验研究
• 5.1 单凹腔喷注位置对比研究
• 5.2 水平面与扩张面对比研究
• 5.2.1 H2稳焰规律
• 5.2.2 乙烯稳焰规律
• 5.3 扩张倾角影响
• 5.3.1 水平面喷注
• 5.3.2 扩张面喷注
• 5.4 凹腔构型影响
• 5.4.1 扩张面凹腔尺寸影响
• 5.4.2 凹腔串并联的影响
• 5.5 小结
• 第六章 单边扩张型超声速燃烧室凹腔流动与燃烧的三维数值模拟
• 6.1 三维无反应喷流流场研究
• 6.1.1 计算模型及网格
• 6.1.2 喷流流动与混合特性
• 6.1.3 扩张倾角对流场及燃料混合的影响
• 6.2 三维燃烧流场研究
• 6.2.1 燃烧流场特性研究
• 6.2.2 扩张倾角对燃烧流场的影响
• 6.3 小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果