超声速湍流燃烧火焰面模型判别建模及应用研究

【摘要】：论文以超燃冲压发动机燃烧室内部的超声速燃烧现象为研究背景,以超声速燃烧火焰面模型为主要研究对象,综合运用理论分析、数值计算、实验研究等多种手段对超声速燃烧火焰面模型进行了系统、深入的研究。 根据火焰面模型的基本思想,系统介绍了层流扩散火焰面理论、低速湍流燃烧火焰面模型、超声速湍流燃烧火焰面模型及相应的火焰面数据库生成方法;针对超声速流的特点并结合当前超声速流中火焰面模型的修正方法,建立了考虑激波作用的超声速燃烧稳态火焰面模型。 针对超声速燃烧流场是否能用火焰面模型进行描述这一根本性问题,从理论上系统地对超燃冲压发动机燃烧室内部的超声速燃烧流场是否满足火焰面模型假设进行了判别。结果表明,对于预混燃烧,由于实际低速回流区/剪切层中脉动速度较低,所有飞行马赫数下的超声速燃烧流场均满足火焰面模型假设;对于非预混燃烧,除高飞行马赫数下极小部分燃烧流场位于慢化学反应区外,其余状态也均满足火焰面模型假设。 针对稳态火焰面模型在临界标量耗散率附近的处理方法会导致解的不连续,进而可能引发流场非物理解和数值不稳定等缺陷,参考低速流中的火焰面/进度变量模型,建立了考虑激波作用的超声速燃烧火焰面/进度变量模型,并提出了一种高效的火焰面数据库生成方法。 为了考察所建立的火焰面/进度变量模型用于描述带有复杂构型超声速燃烧流场的适用性,采用实验和数值计算两种手段分别对带有支板和凹腔的超燃冲压发动机燃烧室内部燃烧流场进行研究。实验与计算结果的对比分析表明,文中所建立的火焰面/进度变量模型可用于描述带有复杂构型的超声速燃烧流场。对于带有支板的超声速燃烧流场,通过数值计算定量研究了燃料喷注当量比、支板厚度等因素对燃烧效率的影响,发现燃料喷注当量比和支板厚度对燃烧效率影响较小。对于带有凹腔的超声速燃烧流场,通过数值计算定量研究了燃料喷注角度、燃料喷注当量比、多凹腔构型等因素对燃烧效率的影响,发现燃料垂直喷射时燃烧效率较高;燃料喷注当量比对燃烧效率影响较小;串联凹腔构型会使燃烧效率提高,并联凹腔构型单侧喷注燃料时对燃烧效率几乎没有影响,反而会使流场总压损失增大,但并联凹腔构型双侧喷注燃料会使燃烧效率大幅提高。