利用三维进气道出流涡特征提升燃料喷射掺混特性研究.doc

利用三维进气道出流涡特征提升燃料喷射掺混特性研究三维内收缩进气道是高超声速推进系统的理想进气布局形式,但是此类进气道的出口平面通常存在复杂的涡结构。现有关于超燃燃烧室的研究表明,合理组织的燃烧室进口涡结构是有利于提高燃料喷射和掺混效率的。本文提出一类三维内收缩进气道和超燃燃烧室一体化设计概念,对该一体化喷射方案以及均匀来流条件下的喷射方案的燃料喷射与掺混性能进行数值模拟研究,着重分析了此类进气道出口的复杂涡特征对燃烧室燃料掺混性能的影响,进一步弄清了全三维构型条件下喷流的湍流流动现象和掺混的主导物理机制。本文首先分析了设计状态下三维内收缩进气道的流场特征和涡结构特征。该进气道能基本捕获全部来流,其矩形转椭圆的变截面设计以及通道中的三维圆形反射激波/边界层干扰现象能诱导形成流向涡,且进气道内的横向压力梯度使这些流向涡朝椭圆长轴两侧汇聚、合并。其次,以均匀来流条件下的超燃燃烧室为基本模型,研究了喷射动压比、喷射边界层厚度、壁面曲率、喷嘴直径、激波反射等因素对燃料喷射与掺混特性的影响。可以发现,对于确定的喷射边界层厚度,燃料喷射存在一个临界动压比。当喷射动压比低于该临界动压比时,增大边界层厚度能明显提高燃料的穿透深度和掺混效率;而当喷射动压比高于该临界动压比时,边界层厚度对燃料的穿透深度和掺混效率几乎没有影响。壁面曲率对燃料掺混的影响程度与喷嘴直径相关。当喷嘴直径较大时,壁面曲率值越小,燃料的掺混效率越高;当喷嘴直径较小时,壁面曲率的变化对燃料掺混效率的影响很小。在相同喷射动压比下,不同喷嘴直径方案的流场特征、燃料穿透深度以及掺混效率均存在相似性。此外,通道中的反射激波/掺混层相互干扰会大幅降低燃料穿透深度,但由此产生的剧烈剪切运动能促进燃料掺混。最后,提出了一种考虑进气道出口流向涡特征的燃料喷射方案并开展数值研究。与均匀来流条件下的喷射方案相比,进气道/燃烧室喷射方案的掺混效率和掺混速度均更高,进气道出口的流向涡能大幅提升燃烧室中的燃料掺混性能。剔除边界层带来的燃料掺混增益,进气道的流向涡特征能将掺混效率提高约65%,达到掺混平衡的距离缩短1/3。进气道/燃烧室方案的喷嘴位置根据进气道横向截面的有效平均涡量进行配置对燃料掺混较为有利,喷射处横向截面的有效平均涡量越大,对应燃料喷射方案的掺混效率越高。