超声速气流中组合凹腔的火焰稳定与传播特性

【摘要】：本文以组合凹腔火焰稳定器工作的超声速燃烧室内流场和热实验性能作为研究对象,重点对单凹腔、并联凹腔、串联凹腔等不同凹腔构型进行了研究,并在各个构型的性能之间做了详细地对比。本文首先阐述了超声速气流中的凹腔火焰稳定机理,分析了在单凹腔构型下与火焰稳定有关的影响因素,并详细推导了在贫燃和富燃条件下的时间尺度。在数值模拟方面,本文采用RANS模拟方法对凹腔的超声速热实验进行了二维的数值仿真,剖析了在各个构型下燃烧室内部的流动特性。发现在超声速燃烧室内的喷注前位置存在着喷前激波串,它对超声速来流进行了压缩,使来流的压强增大,温度升高,同时速度减小。由于喷注燃料撞击在凹腔的后壁上,故在凹腔后壁位置存在有后缘角激波,这个激波能够继续压缩穿过凹腔向下游流动的气体。在串联凹腔中,由于上下游水平距离较远,激波的分布比较独立,仅有上游凹腔的后缘角激波与下游凹腔的喷前激波相交,形成了相对较为简单的流场。而在并联凹腔中,由于凹腔尺寸中的长深比比较大,故激波相交后入射在凹腔剪切层上,使剪切层更加贴近于凹腔内部,同时入射激波也极大地改变了凹腔内的回流区,使得回流区被“分割”,导致实质上的回流区被缩短,凹腔后缘角激波也被相应改变。此后实验增加了并联凹腔在水平方向上的距离,结果显示由于激波相交角度发生了改变,使得较为靠近上游的凹腔回流区趋于完整。此后对数值模拟中相对应的工况做了实验研究,通过高速摄影和对燃烧室壁面压力进行测量等手段对之前的计算结果进行了验证。通过高速摄影可以观察到火焰在流场中稳定于剪切层与回流区,这就印证了之前对于凹腔火焰稳定机理的研究,同时在观察火焰形态的过程中可以发现反射后以及相交后的激波入射在剪切层中,这就导致了火焰沿着激波的入射方向存在有火焰延伸的现象,针对这一现象进行观察,又可以部分证明之前关于凹腔内激波构型的判断。此外在通过压力测量仪器采集到的数据可以证明,在小当量比的条件下,相比于串联凹腔的异侧构型,串联凹腔的同侧构型更有利于下游凹腔对于上游凹腔来流的利用;在对并联凹腔的实验过程中,可以发现相比单凹腔构型时凹腔内壁面压力陡然增加,并且通过数值仿真结果可以观察到剪切层附近有很强的交叉激波,这时要注意喷注压力的使用,避免压力过大。
【关键词】：组合凹腔 火焰稳定 剪切层 回流区 超声速燃烧流动过程
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：V231.2