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

论文摘要

本文以基于凹腔-支板火焰稳定器的超声速燃烧室为研究对象,采用NPLS技术获得了高空间分辨率的流场结构图,运用PIV原理计算得到了超声速速度场和涡量分布,同时用混合RANS/LES方法进行了数值模拟,通过实验与数值模拟分析了超声速来流条件下支板绕流和燃烧室流动特性。对支板绕流进行研究发现:水平支板和竖直支板前缘均产生弓形激波,侧壁边界层很薄,流体流经支板两表面后在后缘转向,剪切层脱落在尾部壁面附近形成回流区,绕过回流区的两股流体汇合后被迫转向形成斜激波,汇合后的流体向下游发展形成卡门涡街,竖直支板顶部在前缘转角处产生了两股流向涡,水平支板在悬空的短边一侧也发现较弱的流向涡。对正常流态下的超声速燃烧室冷态流场进行研究发现:单凹腔燃烧室中凹腔与侧壁面相互作用可以有效实现主流与凹腔内部流动的质量和动量交换,增强混合作用;水平支板前缘激波促使凹腔剪切层涡结构进一步破碎,波后压强升高促使流体进入凹腔,凹腔后壁面处产生的回流区对混合增强和火焰稳定有重要作用;流体绕过竖直支板后因流道扩张产生膨胀波,剪切层脱落形成大回流区,有利于混合增强和火焰稳定,流体流经转向产生的激波后压强升高,流速降低,形成的凹腔剪切层偏向凹腔底壁,在凹腔前缘产生了膨胀波,诱使两侧高速流体转向进入凹腔,促进了主流与凹腔的质量和动量交换。对高背压条件下的超声速燃烧室冷态流场进行研究发现:单凹腔燃烧室凹腔剪切层在凹腔后壁面大回流区输运作用下很容易产生大尺度涡结构,这有利于混合增强和火焰传播,但大涡破坏了凹腔前缘斜激波,并挤压周围流体产生杂乱的波系;水平支板可以有效抑制大涡结构对主流的干扰,增强混合,但大涡结构在支板前缘激波和凹腔后壁面回流区双重作用下前移到凹腔前缘处,易影响到来流边界层,使其厚度增加,对主流产生干扰;竖直支板后方大回流区在高背压作用下被大涡结构充满,对混合增强和火焰稳定有重要作用,但容易产生壅塞。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 凹腔火焰稳定器
• 1.1.1 凹腔火焰稳定器流动特性
• 1.1.2 凹腔火焰稳定器混合特性
• 1.1.3 凹腔火焰稳定器稳焰特性
• 1.2 支板火焰稳定器
• 1.2.1 支板火焰稳定器流动特性
• 1.2.2 支板火焰稳定器喷注与混合
• 1.2.3 支板火焰稳定器燃烧特性
• 1.3 凹腔-支板组合火焰稳定器
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 超声速燃烧室高分辨率流动成像系统
• 2.1 NPLS 系统与超声速静风洞
• 2.1.1 NPLS 系统
• 2.1.2 超声速静风洞
• 2.2 超声速燃烧室模型与实验方案
• 2.2.1 超声速燃烧室模型
• 2.2.2 实验方案
• 2.3 NPLS 图像处理技术
• 2.3.1 图像模型
• 2.3.2 图像增强
• 2.3.3 速度场提取
• 2.4 小结
• 第三章 超声速流动数值模拟方法
• 3.1 混合RANS/LES 方法
• 3.1.1 混合RANS/LES 方法简介
• 3.1.2 控制方程
• 3.1.3 滤波函数与亚格子模型
• 3.1.4 湍流模型
• 3.1.5 RANS 模型与亚格子模型的切换
• 3.2 网格划分及边界条件
• 3.2.1 网格生成
• 3.2.2 边界条件
• 3.3 混合RANS/LES 方法的实验验证
• 3.3.1 验证算例
• 3.3.2 数值模拟与实验数据的比较
• 3.4 小结
• 第四章 支板绕流流动特性研究
• 4.1 水平支板绕流
• 4.1.1 水平支板展向截面
• 4.1.2 水平支板纵向截面
• 4.1.3 水平支板流向截面
• 4.1.4 水平支板尾流
• 4.2 竖直支板绕流
• 4.2.1 竖直支板展向截面
• 4.2.2 竖直支板纵向截面
• 4.2.3 竖直支板流向截面
• 4.3 小结
• 第五章 燃烧室冷态流场分析
• 5.1 单凹腔燃烧室冷态流场
• 5.1.1 单凹腔燃烧室流场空间流动特性
• 5.1.2 高背压条件下燃烧室流场变化
• 5.2 超声速燃烧室中凹腔-支板火焰稳定器作用分析
• 5.2.1 超声速燃烧室凹腔-支板相互作用
• 5.2.2 高背压条件下凹腔-支板火焰稳定器作用分析
• 5.3 小结
• 第六章 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果