旋转爆轰燃烧室内煤油裂解气冷流掺混特性研究.pdf
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1、为研究旋转爆轰燃烧室内煤油裂解气的冷流掺混特性使用 对小孔环缝喷注结构下煤油裂解气的喷射掺混过程进行了二维大涡模拟研究 根据数值模拟结果系统描述了燃烧室内冷流场的流场结构和可爆轰区域位置对比分析了喷注压力(保持当量比不变)、裂解气喷注位置及喷注角度对掺混效果的影响并用掺混不均匀度定量评价了裂解气与空气的掺混程度 研究结果表明:由于()不稳定性产生的大尺度湍流涡结构的卷带作用是煤油裂解气与空气混合的主要机制 采用有限速率模型和一步化学反应机理计算得到的煤油裂解气/空气一维可爆轰当量比上、下限分别为.和.在空气和裂解气喷注温度分别为 、时增大喷注压力掺混效果降低裂解气喷注位置远离燃烧室入口掺混效果
2、提高裂解气与空气喷注角度由同向到逆向掺混效果提高关键词:煤油裂解气旋转爆轰冷流掺混大涡模拟中图分类号:文献标志码:文章编号:()():.().()./.:弹道学报第 卷 爆轰燃烧近似等容燃烧热循环效率理论上最高可提升近 基于爆轰的新型发动机具有熵增小、热效率和比冲高等优点近年来受到国内外学者的广泛关注 在多种爆轰发动机中旋转爆轰发动机()由于结构简单工作频率高及只需单次点火等诸多优势逐渐成为研究热点 一般采用煤油作燃料使用液态燃料进行实验时存在液态燃料雾化以及液态燃料与气态氧化剂两相掺混等诸多难点常见的解决办法有燃料掺氢、使用富氧空气作氧化剂及提高喷注温度等 对液态煤油预热裂解或预燃形成小分子
3、气态烃类是近年来提出的降低起爆难度的新思路这种方法既可以提高燃料活性又将难度大的气液两相掺混转换成难度较低的气气掺混显著改善了燃料与氧化剂之间的掺混效果 王丹等对煤油裂解气旋转爆轰进行二维数值模拟结果表明煤油裂解气的组分对形成稳定旋转爆轰波所需的时间及传播方向均有影响 胡洪波等发现与液态煤油相比煤油富燃燃气能够在更低氧含量的富氧空气中实现旋转爆轰波的稳定传播 上述研究都是针对煤油裂解气的旋转爆轰过程针对煤油裂解气与氧化剂的掺混过程仅有岳松辰等以/混合气作为煤油裂解气的替代燃料研究了 燃烧室内混合气与空气的喷注掺混过程目前国内外对 的大部分数值研究均采用预混喷注模型即假设燃料与氧化剂按一定当量比
4、预混好后喷入燃烧室忽略掺混过程对旋转爆轰的影响 基于预混喷注模型 等、等、和 等分别研究了总压、总温以及尾喷管类型等对旋转爆轰的影响揭示了旋转爆轰的基本规律 但在实际实验条件下为防止回火多采用非预混喷注结构即燃料与氧化剂分别进入燃烧室边掺混边燃烧 等通过改变燃料喷孔间距和排列方式来分析掺混效果对爆轰的影响发现不充分掺混会导致发动机推力与比冲下降、旋转爆轰波数目与传播速度减小且更易产生对向传播的旋转爆轰波 等发现喷注环缝宽度过大时燃料与氧化剂的掺混效果太差是造成旋转爆轰不稳定的主要原因 等在 年首次在燃料和氧化剂分别通过小孔和环缝供应的方案下实现了三维非预混喷注旋转爆轰数值模拟非预混喷 注 下
5、的 数 值 模 拟 工 作 逐 渐 展 开 等对比了预混均匀喷注、预混小孔喷注和非预混小孔喷注 种喷注结构下的旋转爆轰流场发现非预混小孔喷注下燃料与氧化剂存在分层现象混合效果最差旋转爆轰波速度和压力最低徐雪阳等对小孔环缝型非预混 进行数值模拟结果表明旋转爆轰波的速度、的推力和比冲随着掺混效果的提高而增大 上述研究结果均表明:燃料与氧化剂的掺混效果对旋转爆轰波的传播特性、稳定工作范围及推力、比冲均有较大影响在燃烧室的高压环境中实现燃料和氧化剂的充分掺混是 研究的关键问题研究人员也在燃料与氧化剂的混合机制以及混合效果的影响因素方面开展了相关研究 等采用平面激光诱导荧光法观察了小孔环缝型非预混 燃烧
6、室内 和空气的冷态掺混过程发现外壁面附近存在回流区且回流区位置 浓度较低 等深入分析了小孔环缝型非预混喷注结构下空气与燃料射流混合过程中的涡结构形成、转化以及脱落过程 徐雪阳等研究了燃料喷注位置、喷注角度、单双侧喷注、入口总压及出口反压对小孔环缝型 燃烧室内冷流掺混效果的影响 但上述研究与文献均采用雷诺时均方法所获得的流场数据时空分辨率较低不足以全面揭示非预混 燃烧室内燃料和氧化剂的非定常湍流掺混过程 周蕊等采用大涡模拟()方法开展了非预混 燃烧室内氢氧混合特性研究但计算模型仅为一个二维方腔本文在上述背景下采用 方法以煤油裂解气与空气分别作为燃料和氧化剂开展小孔环缝型喷注结构非预混 燃烧室内冷
7、流掺混特性研究同时考察喷注压力、燃料喷注位置以及喷注角度对掺混效果的影响 本文研究结果可为煤油裂解气 的喷注结构设计提供参考 物理模型与计算方法.物理模型三维小孔环缝型非预混 模型如图 所示煤油裂解气通过 个均匀分布的.小孔供应空气通过收扩环缝供应环缝入口宽度为 喉部宽度为.燃烧室内、外径分别为、燃烧室入口位于 燃烧室出口位于 为节省计算资源忽略燃料与氧化剂集气腔的影响将小孔用喷注面积相等的环第 期陈 昊等 旋转爆轰燃烧室内煤油裂解气冷流掺混特性研究缝代替后取截面进行二维大涡模拟研究计算模型如图 所示 该处理只会使近场的部分涡结构无法呈现 而对整体掺混效果的影响可以忽略图()中左侧为空气入口下
8、侧为裂解气入口右侧为出口其余为固壁 为探究燃料喷注位置与喷注角度对冷流场掺混效果的影响本文另外设计了 种喷注结构如图()()所示图 三维模型示意图 图 计算模型示意图 .控制方程在 模拟中对于流场中的任意变量()利用过滤函数()进行空间过滤可以分解为解析尺度分量()和未解析的亚过滤尺度分量()直接求解解析尺度湍流演变亚过滤尺度对解析尺度的影响通过亚网格应力模型进行封闭()()()()过滤函数()需满足归一化条件:()()本文研究的非反应多组分可压缩流 控制方程可以通过对质量守恒、动量守恒、能量守恒、组分输运和理想气体状态方程过滤后得到具体如下:()()()()()()()式中:上标“”、“”分
9、别表示物理空间过滤和 过滤、和 分别为过滤后的密度、压力、温度和内能 为时间为空间坐标分量为过滤后的速度分量 为过滤后的分子粘性应力是物质 过滤后的质量分数 是分子扩散系数 为混合气体常数亚格子应力、亚格子焓通量、亚格子黏性力 以及亚格子组分质量通量 的计算公式如下:()()()()()()()式中:为 函数为应变率张量为亚格子湍动能为亚格子涡黏系数 为气体动力黏度为湍流普朗特数为湍流扩散系数 方法的关键是对亚格子通量进行建模封闭亚网格应力模型反映了未解析的亚过滤尺度分量对解析尺度分量的影响包括湍流能量的耗散作用和能量的传递作用 本文采用 亚网格应力模型亚格子湍动能和亚格子涡粘系数由下式计算得
10、到:()()弹道学报第 卷式中:为滤波宽度为应变率张量和 为模型参数.数值计算设置及网格无关性验证本文使用开源数值模拟软件 中的 求解器对旋转爆轰燃烧室内煤油裂解气冷态掺混过程进行研究 对该求解器进行了验证 热物性参数和输运参数分别采用 热力学表和 公式进行计算 对流项的离散采用了 的二阶 型中心格式和迎风中心格式 时间项采用二阶向后差分通过设置最大 数为.来自动调整时间步长实际计算时间步长在 量级空气入口和裂解气入口为压力入口边界 出口为压力出口边界当出口为超音速时所有守恒变量由内部流场外推得到当出口为亚音速时边界点压力等于外界背压而其他守恒变量由内部流场外推得到外界背压为 为适应黏性计算捕
11、获激波与主要掺混区域的精细流场结构对裂解气出口以及燃烧室前段主要掺混区域的网格进行了加密 以图()中计算模型为例进行网格无关性验证分别在总网格数为、以及 时得到燃烧室中轴线上的温度分布如图 所示 结果表明总网格数在 以上的计算结果相差很小满足精度的要求 综合计算精度和计算时间最终选择总数为 的网格进行模拟该网格总数下壁面第一层网格高度为.满足壁面 小于 图 网格无关性验证图 结果与讨论本文所有工况中空气和煤油裂解气的喷注温度分别为 和 煤油裂解气替代组分以及它们的质量分数之比为 .该混合物的平均分子量为.绝热指数为.计算中忽略燃料和氧化剂气体组成成分之间的相互影响同时忽略重力的作用工况、工况、
12、工况 为研究喷注压力对掺混效果影响的对比工况(保持当量比为)空气和裂解气的喷注压力分别为、工况、工况、工况 为研究裂解气喷注位置对掺混效果影响的对比工况工况、工况、工况 为研究裂解气喷注角度对掺混效果影响的对比工况 本文所有计算工况的参数如表 所示表 计算工况表 工况/模型工况.图()工况.图()工况.图()工况.图()工况.图()工况.图()工况.图().煤油裂解气掺混流场结构.整体流场分析工况 在 内的速度以及湍动能耗散率残差曲线如图 所示由图可见 时流场已到达准稳态图 内的残差图 图 给出了工况 中两进口流量随时间的变化曲线 由图可知:固定总压以及总温喷注条件下煤油裂解气流量与空气流量有
13、着相同的波动趋势且都在刚开始时波动剧烈但在经过一段时间后到达稳定其中煤油裂解气稳定时的平均流量为./空气稳定时的平均流量为./经计算工况 的喷注当量比为 左右 其他工况下喷注当量比的第 期陈 昊等 旋转爆轰燃烧室内煤油裂解气冷流掺混特性研究计算方式类似图 工况 燃料和氧化剂进口流量随时间变化曲线图 图 时的流场结构 以工况 为例说明煤油裂解气/空气掺混流场的整体结构 该工况下裂解气射流从喷入到完全喷出大约需要.图 为 时裂解气质量分数、温度、马赫数以及速度大小分布云图由云图可见裂解气喷出后穿透深度只能达到燃烧室宽度的/左右主要分布在喷注侧且在燃烧室中分布极不均匀流场中的最大速度提高至/大于裂解
14、气和空气入流速度高速流动使得流场中的温度降低高压的裂解气和空气射流分别在喷注出口和收扩喷管喉部附近极速膨胀形成了马赫盘等波系结构 总之整个流场呈现出典型的低温、高速等欠膨胀特征以工况 为例说明冷流场稳定时的波系结构图 为 时空气喷管喉部和裂解气喷注出口附近的密度梯度云图 由图可见裂解气出口的上游产生了激波强度与裂解气和空气的喷注压力有关其在遇到壁面后反射反射激波与滑移线相互作用产生激波与剪切层的作用面 计算结果与使用标准 模型的文献观察到的波系结构类似图 时的密度梯度云图 .时均流场分析为了更直观地观察冷流场中裂解气与当量比 的整体分布情况对工况 在 内的裂解气质量分数及当量比分布作时均处理结
15、果如图 所示图 内的时均分布云图 由图 可知裂解气射流的穿透深度只能达到燃烧室宽度的/左右且在燃烧室中部附近裂解气分布最多靠近喷注侧次之远离喷注侧最少在弹道学报第 卷燃烧室外壁面附近裂解气分布几乎为零沿燃烧室轴向方向裂解气分布有一个先增加后减少的过程且越靠近燃烧室出口裂解气分布越均匀时均当量比的分布规律与时均裂解气的分布规律类似图 所取截线上的分布图 为了便于定量分析裂解气与当量比的分布情况从燃烧室入口处()开始对工况 取.这 条截线上的 内裂解气时均质量分数以及时均当量比进行分析结果如图 所示 可知:当 .时沿燃烧室轴向方向裂解气先增加后减少裂解气质量分数最高可达.左右裂解气质量分数最大的位
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