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超声速燃烧凹腔剪切层非定常特性研究

汪洪波  
【摘要】: 本文采用混合RANS/LES方法对二维超声速燃烧凹腔剪切层的非定常特性进行数值研究,其中RANS模式采用SST两方程湍流模型,LES方法采用Yoshizawa一方程亚格子模型;着重研究了凹腔长深比、后缘倾角、上游横向喷流以及燃烧放热对剪切层形态及振荡特性的影响;最后结合自发辐射成像和高速摄影实验研究了凹腔的点火及燃烧特性。 仅有超声速流动时,凹腔长深比及后壁倾角均会对剪切层特性产生明显影响,前者主要影响凹腔剪切层的演化形态,后者主要影响凹腔-剪切层自激振荡强度。长深比大的凹腔剪切层发展充分,可能出现严重的失稳并导致剧烈的振荡和起伏;具有垂直后壁倾角的凹腔,由于撞击能量难以及时排出,而以较强能量的压缩波形式在凹腔内纵向传播,同时与剪切层发生强烈的相互作用,从而导致自激振荡加剧。 引入凹腔上游横向喷流之后,凹腔剪切层变厚并轻微上抬,凹腔-剪切层自激振荡明显减弱,振荡能量有往高频转移的趋势;凹腔上游横向喷流的引入使凹腔后壁倾角的影响大大减弱。 在燃烧放热条件下,凹腔剪切层进一步增厚并出现明显上抬,使得凹腔后缘撞击激波趋于消失,凹腔-剪切层自激振荡大大减弱,振荡能量急剧往低频方向转移;压力振荡的随机性增强,可能意味着混沌运动的出现;长凹腔的混合及燃烧性能远远优于短凹腔。 实验发现,对于凹腔上游横向喷注燃料的超声速燃烧室,其点火过程及火焰稳定特性均与凹腔剪切层和喷流混合层的发展及其相互作用密切相关,因此必须使喷流的位置、压力及流量等参数与凹腔剪切层的发展相匹配,以达到最佳的点火及稳焰效果。 研究认为,以适当的方式直接往凹腔内注入燃料和空气并在凹腔内组织燃烧,能大大减小流场不确定因素的影响,使凹腔的点火及稳焰作用得以更好的发挥。


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