采用V槽火焰稳定器的流场掺混燃烧性能研究

【摘要】：论文以应用于空气涡轮火箭(Air Turbo Rocket,ATR)发动机燃烧室的V槽火焰稳定器为研究对象,综合采用实验观测和数值模拟方法,结合理论分析,对V槽火焰稳定器流场的结构特征和掺混燃烧性能进行了研究。采用大涡模拟方法对V槽流场的动态流动特性进行研究。空气的来流速度为0.4马赫,甲烷通过中心射流进入流场。研究发现,V槽尾迹流受到了卡门涡和混合气流间正交涡的共同影响,其中卡门涡起主导作用。卡门涡在V槽末端形成时会受到正交涡的影响,形成一连串的小涡结构。尾迹流中复杂的涡与涡、涡与壁面间的相互作用形成压力波前传。入口处的压力扰动会影响甲烷与空气间正交涡的形成,甚至会影响到甲烷的水平喷注。通过对比流场无V槽时的计算结果,发现V槽能够形成回流区,有效促进混合,但会引起较大的总压损失。研究了V槽构型参数包括张角和堵塞比对冷态流场的影响。研究表明,张角对总压损失的影响很小。张角增大,回流区时均长度减小而组分和速度脉动增大。在与V槽末端距离相同的位置,张角对甲烷的分布范围无明显影响;而在与入口距离相同的位置,张角越大,甲烷分布范围越广。堵塞比增大时,回流范围扩大,流场脉动增强,总压损失增大。与入口距离相同的位置,堵塞比越大,甲烷的分布范围越广。采用数值模拟手段初步研究了V槽火焰稳定器流场的燃烧性能。研究表明,燃烧流场仍处于卡门涡街的状态,在回流区范围内,能够维持一小段时间的高温。高频的脱落涡对高温气团进行拉伸、破碎是火焰熄灭的主要原因。将脱落频率大的卡门涡燃烧转变为K-H剪切层燃烧是提高V槽稳焰性能的关键。采用高速纹影技术捕捉到了冷态流场卡门涡的生成和发展。粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术获得的时均速度场和计算结果吻合较好。
【关键词】：亚声速流场 V槽火焰稳定器 掺混 燃烧 卡门涡
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：V430