部分预混超声速燃烧火焰面模式研究综述

采用部分预混火焰面模式建模与仿真已经成为超声速燃烧数值研究的主要趋势之一.系统回顾了超声速燃烧火焰面模式的发展历程,针对其应用的两个基本问题进行总结:一是火焰面模式在超声速燃烧中的物理存在问题,二是超声速燃烧火焰面模式的建模问题.重点分析了火焰面模式应用于超声速燃烧的难点,提出了超声速燃烧火焰面模式建模应兼顾的问题.

油气爆炸过程火焰燃烧模式的实验估计

首先分析讨论了油气爆炸过程中火焰燃烧模式的估计方法,然后在激波管内进行了低、中、高3次不同初始油气浓度条件下的油气爆炸实验,通过实验数据分别计算出了低、中、高初始油气浓度条件下油气爆炸在初期、中期和后期的丹姆克尔数和湍流雷诺数,最后依靠丹姆克尔数-湍流雷诺数图对低、中、高初始油气浓度条件下油气爆炸初期、中期和后期的火焰燃烧模式进行了定量估计。结果表明:低、中、高初始油气浓度条件下激波管油气爆炸过程初期、中期和后期的火焰燃烧模式均为漩涡内小火焰模式。

两次喷射模式下部分预混燃烧火焰发展模式的光学诊断研究

基于一台光学发动机,在1 200r/min的转速下以正庚烷为燃料,应用高速摄像的方法研究了两次喷射模式下部分预混燃烧(partially premixed combustion,PPC)中的火焰发展模式,分析了两次喷射控制燃烧反应速率的机理。研究发现,在上止点之前单次喷射时,燃烧为典型的PPC燃烧,火焰发展模式被多点自燃主导。上止点之前两次喷射,火焰同样被多点自燃主导。相比于单次喷射,两次喷射没有改变火焰发展模式,对放热规律的影响较小。推迟第二次喷射的喷射时刻,可以增加扩散燃烧比例,降低放热率峰值,但是燃烧图像中碳烟信号明显增强。两次喷射都位于上止点之后时,火焰发展模式以火焰传播为主,放热率峰值降低,燃烧图像没有明显的碳烟信号。两次喷射可以改变火焰发展模式,有效地控制燃烧反应速率的同时保持较低的碳烟排放。

分层比对分层旋流火焰稳定模式及流动结构的影响

应用高速激光诊断系统,对中心分层旋流火焰开展了流场与火焰结构的多参数同步测量,研究了分层比对火焰动力学及瞬态流动结构的影响。通过20kHz高频平面激光诱导荧光和高频粒子示踪测速技术,研究了不同分层比下的火焰模式和稳定机理,并揭示了流场结构沿轴向的定量演化规律。研究结果表明,提高分层比可以改变分层旋流火焰中火焰面相互作用模式,使主火焰的稳定机理由接触点火变为融合点火机理。同时分层比也会改变火焰释热区的位置,使流场结构以及脱落旋涡的空间分布发生改变。应用旋涡识别方法定量提取了脱落旋涡的位置,获得了内剪切层中脱落旋涡的空间分布和轴向演化规律。

支板喷射超声速燃烧流场三维大涡模拟

利用火焰面模型和混合LES/RANS方法对某支板构型超燃冲压发动机进行模拟,讨论了化学反应对湍流流场的影响,并比较了3D和2D模拟的差别。结果表明,不考虑化学反应时剪切层中的大尺度结构控制着整个混合过程,且剪切层具有明显的三维特性;2D模拟能捕捉到涡的配对与合并现象,而3D模拟中涡的拉伸、扭曲及破碎特性更加显著;考虑化学反应时,由于燃烧释热的影响,支板尾部回流区变大,射流穿透度减小,大涡结构产生和饱和的位置有所推迟;数值阴影与实验阴影符合,时均速度剖面、温度剖面与实验值一致,3D模拟在预报准确性方面明显优于2D模拟。

乙烯燃料超燃燃烧室燃烧流动过程的数值模拟

采用壁面燃料喷射并结合凹槽结构作为火焰稳定机制是超燃冲压发动机燃烧室设计的理想方案。利用非定常方法研究了带凹槽的超燃冲压发动机壁面横向喷射乙烯燃料的火焰稳定过程,分析了不同当量比下的火焰稳定机制。结果表明:在燃烧室入口马赫数2、总温950 K、总压0.82 MPa条件下,冷流流场达到稳定所需时间约为9 ms;当凹槽台阶下游喷注当量比为0.1时,火焰稳定模式为燃料尾迹与凹槽共同形成的回流区稳定模式;当凹槽台阶下游喷注当量比为0.3时,火焰稳定模式为完全处于凹槽回流区稳定模式;当凹槽上游壁面喷注当量比为0.1时,火焰稳定模式为凹槽回流区稳焰模式;当凹槽上游壁面喷注当量比为0.3时,火焰稳定模式为射流回流区和凹槽回流区稳焰模式。

超声速燃烧中的特征尺度及影响因素

针对超燃冲压发动机典型的飞行条件,分别以氢气、乙烯和煤油(由质量分数为0.8的正十烷和0.2的三甲基苯化学替代)作为燃料,分析了超声速燃烧中的特征尺度及其影响因素,给出了细致的超燃冲压发动机工作范围,并探讨了火焰面模型在超声速燃烧数值模拟中的适用性.结果表明:从氢气、乙烯到煤油,超燃冲压发动机工作范围依次减少,丹姆克尔数(Da)呈现量级的变化,火焰模式以旋涡小火焰为主,其中Taylor尺度起着关键性作用.同时也发现:相对于亚声速燃烧,在超声速燃烧的数值计算中,对能否采用火焰面模型还需要更加仔细的考虑.