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

【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。
【关键词】：单边扩张型燃烧室 腔稳焰器 声速燃烧 混合RANS/LES方法
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：V231.2