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《中国科学技术大学》 2018年
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超声速横向射流混合与燃烧的大涡模拟研究

赵马杰  
【摘要】:超声速横向射流作为一种相对高效的超燃冲压发动机燃烧室的基本结构,具有较高的混合和燃烧效率,受到广泛的关注。本文基于OpenFOAM平台开发的超声速数值模拟求解器,数值研究超声速横向射流燃烧室内的混合以及燃烧流场,具体内容如下:(1)开展入口有压缩坡道的典型超声速横向射流燃烧室纯混合流场的大涡模拟,分析不同氢气射流动量通量比工况下燃烧室内典型的激波和涡旋结构。模拟结果表明:增加射流动量通量比,射流穿透深度增加,弓形激波增强,马赫盘和桶状激波也变大。反射激波与射流羽状物相互作用,会引起射流穿透深度下折,下折的空间位置与射流动量通量比有关。通过涡量分析可知,激波诱导的斜压力矩使得反射激波与射流羽状物相互作用产生了复杂的涡旋结构,进而促进其中的混合进程。此外,较高的射流动量通量比可以提高可燃混合物的质量流率,但是不能提高混合效率。(2)超声速横向双孔射流的流场结构和混合特征的大涡模拟结果表明,初级射流的迎风侧剪切层涡在次级射流出口下游与次级射流的迎风侧剪切层涡相互作用并发生融合,进而改变次级射流迎风侧剪切层区域的湍流特征。二维和三维流线结果表明初级射流的TCVP结构、二次TCVP结构与次级射流的马蹄涡融合形成新的马蹄涡结构,并在次级射流出口下游形成三对CVP结构:第一个是超声速来流与次级射流相互作用形成的反向旋转涡对CVP-B,第二个是超声速来流、初级射流以及次级射流相互作用形成的反向旋转涡对CVP-C,第三个是超声速来流与初级射流在下游形成的较弱的反向旋转涡对CVP-D。混合特征分析的结果表明超声速横向双孔射流下游的穿透深度和混合效率明显高于单孔射流。(3)采用LES结合PaSR燃烧模型研究超声速横向氢气射流燃烧场,模拟结果表明:低射流动量通量比J=0.71射流出口近场没有火焰存在,在射流出口下游反射激波与射流羽流以及壁面相互作用区域发生自动着火并形成火焰;高射流动量通量比J=2.11和J=4.00的工况,在射流迎风侧弓形激波后着火,火焰出现在射流出口上游的回流区内,下游反射激波的存在起到强化稳定燃烧火焰的作用。入口压缩坡道形成的反射激波串在射流出口下游与射流羽流以及下壁面边界层相互作用,在10x/D20的壁面区域形成一对回流区,对超声速横向射流燃烧起到火焰驻定的作用。燃烧模式分析结果表明:低射流动量通量比J=0.71工况的燃烧放热以预混燃烧为主,较高的射流动量通量比J=2.11和4.00的工况的燃烧放热以非预混燃烧为主导。CEMA结果分析表明,超声速横向射流中的火焰稳定机制为高温自点火,高射流动量通量比J=2.11和J=4.00射流近场沿着马蹄涡区域的燃烧火焰为自点火引起的分布式反应区。(4)采用三维URANS模拟超声速横向氢气脉冲射流的混合过程,结果表明:脉冲幅值不变的情况下,激励脉冲射流存在一个最优混合效率的脉冲频率为50kHz,激励脉冲频率过高会导致射流出口下游射流趋于定常射流;当激励脉冲射流频率一定时,混合效率随着脉冲幅值增加而增加,但是最大氢气质量分数在射流出口下游的衰减速率不变。最优激励脉冲射流的燃烧场大涡模拟研究表明,激励脉冲射流可以增加流场中的大尺度结构,且总是在1/4T0时刻周期性出现,并伴随着原有稳定射流的剪切层涡结构。激励脉冲改变了流场中非预混燃烧放热速率的大小,而对预混燃烧放热的影响基本不变。此外,频谱分析和小波分析结果表明,稳定射流剪切层涡频率的St数为0.27,弓形激波位置的St数为0.04,而在激励脉冲射流燃烧场中,流场中剪切层和弓形激波位置主导频率的St数为0.05。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:V235.21

【参考文献】
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