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液氧煤油模型发动机高频燃烧不稳定性研究

尕永婧  
【摘要】:高频燃烧不稳定性在液体火箭发动机燃烧室中常常发生,对发动机的正常工作具有破坏性作用。然而,对高频燃烧不稳定性发生和演化的机理至今尚未完全理解。因此,开展液体火箭发动机中高频燃烧不稳定性的研究具有十分重要的学术意义和应用价值。 实现了液氧煤油模型火箭发动机推力室内三维非稳态湍流两相燃烧与流动过程的RANS模拟。获得的流向平均速度分布和燃烧室压力与他人实验定量相符,并在初边值条件不施加任何扰动的情况下,得到了燃烧室内自激压力振荡过程,相应的主频与实验结果一致,表明本文所预测的自激高频压力振荡结果是可信的。 在压力振荡随时间的变化中存在压力陡峰现象,对其形成原因进行分析表明,燃料液滴达到临界状态瞬时气化使燃烧室局部迅速形成可燃预混气团,并发生准等容燃烧过程,出现了压力和温度大幅上升的定容弹效应,从而产生“压力峰”。“压力峰”在燃烧室内的时空分布表明,其会频繁、随机地出现在燃烧室喷注器面板附近的区域,并在燃烧室中不断传播与反射,最终激励出高频燃烧不稳定现象。 基于局部压力波传播时间与化学反应特征时间之比定义的第三Damk hler数与“压力峰”相对应,进一步揭示了引发“压力峰”的准等容燃烧机制,并可较好的区分燃烧室中的准等容燃烧,介于等容与等压之间的燃烧和等压燃烧过程。 研究了室压、液滴直径和温度对自激压力振荡的影响。结果表明,当室压低于燃料临界压力时,因不具备“压力峰”的形成条件而稳定性较好。随着液滴直径由小变大,自激压力振荡将由弱变强再变弱。当液滴较小或较大时,因不存在“压力峰”的形成条件,或形成的“压力峰”远离喷注器壁面而不能与剧烈化学反应区相耦合,使得压力振荡难以维持;而当处于某一中间直径时,“压力峰”在传播过程中会与喷注器壁面附近的剧烈反应区耦合,从而形成高频、高幅值的压力振荡。随着液滴初始温度的增加压力振荡将加强,相应分析与液滴直径的影响分析一致。 隔板对自激高频燃烧不稳定性抑制作用的研究表明,隔板可以有效抑制燃烧室内的压力自激振荡过程,但并不能消除“振源”,仅能抑制由“振源”产生的压力波的传播过程来减弱燃烧室内“振源”区之间的耦合作用。并且隔板存在最优的长度区间,大于这个区间,自激压力振荡将会在隔板腔内长时间驻留,从而耦合出较强的声学振荡而削弱抑制效果。


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