带有悬臂预喷注结构的压缩斜楔流场特性研究.pdf
《带有悬臂预喷注结构的压缩斜楔流场特性研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《带有悬臂预喷注结构的压缩斜楔流场特性研究.pdf(15页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、为给前体带有悬臂预喷注结构的吸气式高超声速飞行器进气道设计提供参考,本文设计了一种带有悬臂预喷注结构的压缩斜楔模型,采用数值仿真方法研究了该结构喷注前后的流场特性,并分析了悬臂截面形状变化以及悬臂外径变化对该流场的影响。结果表明:在楔面上设置悬臂预喷注结构,其产生的诱导激波会增加楔面激波的强度和激波角,并在悬臂下游产生一定范围的低总压区域,喷注后在悬臂喷注结构下游可获得面积较大、距壁面一定距离且氢气与空气分布较均匀的掺混区域。不同悬臂截面形状对楔面激波的影响较小,使用方形截面的悬臂结构会增加悬臂下游低总压区域的范围,但氢气与主流的掺混性能有显著提高。增加悬臂外径会使悬臂诱导激波对楔面激波的影响
2、增加,悬臂后方低总压区域的范围增大,但在本文研究范围内对氢气与主流的掺混性能影响较小。因此,在前体带有预喷注结构的进气道设计过程,可根据要求选择合适的悬臂截面形状,而在使用圆形截面悬臂时尽可能选择较小的悬臂半径。关键词:预喷注;悬臂喷注器;燃料掺混;数值仿真;流场特性;进气道中图分类号:V211.59 文献标识码:A 文章编号:1001-4055(2023)08-22010028-15DOI:10.13675/ki.tjjs.22010028Flow Field Characteristics of Ramp with Cantilevered InjectorWANG Run-zhou1,X
3、IE Lyu-rong1,ZHOU Lin2,ZHANG Yi-ning2,HU Rong1,BU Wei-jun1(1.College of Energy and Power,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China;2.Beijing Power Machinery Institute,Beijing 100074,China)Abstract:In order to provide reference for the design of hypersonic inlet with can
4、tilevered injectors set on its forebody,a compression wedge model with cantilevered injector was designed.The flow field characteristics were obtained by numerical simulation method,and the influence of section shape and outer diameter of cantilever on the flow field was analyzed.The results show th
5、at the cantilevered injector will induce a shock which can increase the intensity and shock angle of wedge shock,and produce a certain range of low total pressure region downstream of the cantilever.A large mixing area,at some distance from the wall,with uniform distribution of hydrogen and air can
6、be obtained downstream of the cantilever injector structure.Different cantilever section shapes have little effect on the wedge surface shock wave.Using cantilever injector of square section will increase the range of low total pressure region downstream of the cantilever injector,but the mixing per
7、formance of hydrogen and the main stream is significantly improved.Increasing the outer diameter of the cantilever enhances the influence of cantilever induced shock on the wedge shock,and increases the range of low total pressure area behind*收稿日期:2022-01-12;修订日期:2022-07-04。作者简介:王润洲,硕士生,研究领域为内流气体动力学
8、。通讯作者:谢旅荣,博士,副教授,研究领域为内流气体动力学。E-mail:引用格式:王润洲,谢旅荣,周林,等.带有悬臂预喷注结构的压缩斜楔流场特性研究 J.推进技术,2023,44(8):22010028.(WANG Run-zhou,XIE Lyu-rong,ZHOU Lin,et al.Flow Field Characteristics of Ramp with Cantilevered Injector J.Journal of Propulsion Technology,2023,44(8):22010028.)推进技术2023 年第 44 卷 第 8 期22010028-2the
9、cantilever.However,within the scope studied in this paper,its influence on the mixing performance of hydrogen and mainstream is small.Therefore,in the design process of inlet with cantilevered injector,the appropriate cantilever section shape can be selected according to the requirements,while the c
10、antilever radius can be selected as small as possible when the circular section cantilever is used.Key words:Pre-injection;Cantilevered injector;Fuel/air mixing;Numerical simulation;Flow field characteristics;Inlet1 引 言高超声速飞行器因其高速特性具有极高的商用和军事应用价值而倍受关注,各航空大国争相发展1-2。而目前高超声速推力装置包括火箭发动机、超燃冲压发动机、斜爆震冲压发动机
11、以及一系列新概念冲压发动机方案3。其中斜爆震冲压发动机由于其燃烧室长度较短、发动机本身和冷却系统结构重量较轻以及斜爆震燃烧熵增和总压损失较低等优点4而被广泛关注。为给斜爆震冲压发动机燃烧室提供掺混均匀的燃料空气混合气,悬臂预喷注结构作为一种方案获得了研究者们的关注。悬臂预喷注结构最初由 Sislian和 Schumacher5结合传统斜坡和小角度壁面喷注的特征提出,其构型如图 1所示。与斜坡式喷注对比研究显示,由于悬臂下方较斜坡喷嘴的真空区更大,悬臂斜坡式喷注在喷口前就形成了更强的涡。同时,由于膨胀斜坡末端的斜激波作用,相应地斜压流产生的对涡强度在使用悬臂斜坡式结构时要强于传统的斜坡式。在文献
12、中使用的来流条件下,距离喷口下游 0.8m 处,悬臂斜坡式喷注结构的燃料与来流混合效率比传统斜坡式喷注器高 45%。在 Sislian的研究基础上,国内外对悬臂斜坡式喷注器进行了相当多的研究。Schwartzentruber 等6使用化学反应方程对悬臂斜坡式喷嘴预喷注进气道进行了研究,发现在进气道后 15%的长度里发生了提前点火且火焰发生了扩散,而在进气道壁面设置后台阶壁面进行喷注,并使用冷却氢气进行隔断时,提前点火得到了抑制。Parent等7对湍流高超声速来流条件下悬臂斜坡喷注器燃料与空气的混合特征进行了数值仿真研究,其发现施密特数对于掺混效率的影响很小,而对流马赫数从 0变化至 1.5时,
13、燃料和空气的混合效率提升了 31%,总压恢复只降低了 10%。Parent等8还对喷嘴几何参数的影响进行了研究,研究的几何参数包括喷嘴间距、喷嘴角度以及喷嘴下斜坡的扩张角度等,结果显示,喷嘴间距较小时,能提高喷嘴出口近场的混合效率;而悬臂角度增加对混合效率改善不明显,但流场总压恢复系数明显降低。国内毕东恒9、陈韶华10对悬臂斜坡式喷注进行了较系统的研究,毕东恒给出了悬臂斜坡喷注在内部通道内的波系结构图,并就不同构型的悬臂斜坡喷注器进行了数值仿真研究,探讨了压缩角和后掠角对混合效率的影响11。陈韶华则针对不同喷嘴形状进行了研究,发现水平布置的缝形喷口能整体上提高燃料在横截面上的分布,并列的双喷注
14、体构型在两喷嘴间距合适情况下才能起到提升混合效率的作用,降低双喷注体中一个悬臂的角度有明显增混效果。此外,高峰等12也探讨了悬臂斜坡构型的压缩角和后掠角对射流穿透深度和燃料掺混的影响。在实际进气道运用中,Wang 和 Sislian13-14设计了在马赫 8,飞行高度 28.6km 的进气道,在进气道前体设置悬臂斜坡式喷嘴。数值仿真结果表明,进 气 道 出 口 处 燃 料 和 空 气 的 混 合 效 率 可 以 高 于85%,并且提前自点燃的可能性很低。在进一步设计研究中,其将混合效率提升至了 95.8%,并发现燃料喷注总温与所选择的燃料对于混合效率有一定的影响。Alexander 等15-1
15、6把悬臂斜坡喷注其位置后移至混合段前端,并在上下壁面同时喷注。研究发现上下相对排列的布局对于预混效率有显著增强,而燃料和壁面之间产生的气垫可以有效抑制先期点火,而在来流马赫数 11,高度 34.5km 的条件Fig.1Cantilever ramp injector configuration5(mm)带有悬臂预喷注结构的压缩斜楔流场特性研究第 44 卷 第 8 期2023 年22010028-3下,使用此构型燃料喷注器的斜爆震冲压发动机可以获得 683s 的燃料比冲。Chan 等17对该方案进行了优化,同样在来流马赫数为 11 时获得了 1190s 的燃料比冲。从上述研究可以看出,国内外学者
16、针对不同来流条件、不同几何参数下悬臂预喷注结构的掺混性能进行了广泛的研究,并进一步分析了带有悬臂预喷注结构的高超声速进气道在实际工程应用中的可行性。但目前对于前体斜激波流场下悬臂预喷注结构的掺混流场结构及掺混流场发展的研究相对较少。鉴于此,本文就带有悬臂预喷注结构的压缩斜楔这一简化模型开展研究。2 物理模型和计算方法2.1 物理模型设计了如图 2 和图 3 所示的物理模型作为基准构型开展悬臂预喷注结构对压缩楔面流场影响的研究。从图中可以看出,楔面压缩角为 2,在来流马赫数为 8 时对应激波角为 8.5。考虑到悬臂结构上游应有一定厚度的边界层,且楔面产生的激波(图 2 中虚线所示)不会与悬臂结构
17、相交,将悬臂结构设置在楔面前缘后 220mm 处。为研究单个悬臂预喷注单元的流场特性,消除相邻悬臂产生的干扰,取a=100mm作为几何模型的宽度。本文的基准构型参照 Sislian等5与毕东恒等9的研究采用悬臂与小斜坡相结合的构型,悬臂根部前缘与膨胀斜坡前沿平齐,斜坡膨胀角度为 7,斜坡末端与悬臂末端下沿在同一竖直平面内。膨胀斜坡前后连接的楔面相互平行,为观察支杆下游流场的发展规律,膨胀斜坡连接的后楔面延伸至下游超过 120 倍悬臂外径处。基准构型的悬臂尺寸参数为中心长度Linj=35mm,悬臂与压缩楔面所呈角度inj=28,悬臂外径D=4mm,喷口直径d=3mm,其中悬臂中心长度Linj以及
18、悬臂与楔面所呈角度inj共同决定了喷口中心距离下壁面的高度Hinj=20.26mm,从而保证射流喷口位于当地壁面边界层之外。在基准构型基础上,研究不同悬臂的截面形状和悬臂外径对该流场的影响。不同几何构型悬臂的详细尺寸如表 1所示。此外,为分析流场沿流向以及展向不同位置处的流场特征,取悬臂根部前缘点为零点,以悬臂外径D 为特征长度,分别沿流向和展向做多个截面。如图 2 和图 3 中点划线所示,沿流向截面命名为x=nD,而沿展向截面命名为z=nD。2.2 计算方法本文数值仿真计算采用商用软件 Fluent,使用守恒型雷诺平均 Navier-Stokes方程进行三维数值仿真。为更好地模拟边界层内的流
19、动,湍流模型选用 k-SST 模型,流动控制方程无粘通量离散使用 Roe-FDS格式离散,对流项使用二阶迎风差分离散。计算收敛以残差下降三个数量级且出口截面流量及压力监测稳定为准则。燃料喷注与空气掺混涉及多组分混合计算,在Fluent 中,第i种物质的质量分数Yi通过每种物质的对流扩散方程进行预估,对应的守恒方程如下t(Yi)-(vYi)=-Ji+Ri+Si(1)Fig.2Sketch of central section of model(mm)Table 1 Geometric parameters of configurationConfigure1234Cantilever shape
20、CircleSquareCircleCircleD/mm44(length of sides)4.55Linj/mm353534.634.3inj/()28282828Hinj/mm20.2620.2620.0419.82NoteBenchmarkInfluence of the cantilever shapeInfluence of the cantilever diameter推进技术2023 年第 44 卷 第 8 期22010028-4式中Ri为化学反应的净产生速率,Si为离散项及用户自定义的源项导致的额外产生速率。在冷态计算中上述两项均为 0。Ji为物质i的扩散通量,在湍流中Flu
21、ent使用以下形式计算质量扩散。Ji=-(Di,m+tSct)Yi-DT,iTT(2)式中Sct为湍流施密特数,为运动黏性系数和扩散系数的比值,在数值仿真过程中取 Fluent的缺省值 0.7。Di,m和DT,i分别为物质i的质量扩散系数以及热扩散系数,具体定义可以参考文献 18-19。对于混合物的物性参数按下述准则定义:混合物的密度仍遵从理想气体法则;各组分定压比热容均采用五次多项式拟合,之后按混合定律计算混合物的定压比热容;各组分黏性均采用 Sutherland 模型定义,之后按质量混合定律计算混合物的黏性;混合物的热扩散系数和质量扩散系数均按照文献 18-19 给出的动能理论计算得到。图
22、 4 给出了本文数值仿真所用的计算域以及边界条件设置。其中喷口选用质量流量进口条件,以保证氢气喷注量相同。本文中来流条件以及喷注氢气的物性参数如表 2和表 3所示,表中参数上标*表示总压、总温。其中来流空气由质量分数为 23%的氧气以及质量分数为 77%的氮气组成,来流马赫数为 8,来流静压和静温取海拔 28.5km 处的静压和静温。而喷注燃料选用氢气,采用超声速喷注,喷注马赫数为 2。2.3 算例验证采用文献 20 给出的几何模型和实验数据进行算例验证。文献 20 针对斜坡喷注器的冷态掺混情况开展了实验研究,其所用几何构型的详细参数如图 5 所示。实验过程中,来流气体为空气,喷注气体为混合了
23、碘颗粒的空气,对应来流条件以及喷注条Fig.3Sketch of section A-ATable 2 Parameters of incoming flowMa08p0/kPa1.499p*0/kPa14633.492T0/K225.023T*0/K3105.31Table 3 Parameters of injected hydrogenm H2/(g/s)0.773MaH22pH2/kPa38.341p*H2/kPa300TH2/K166.67T*H2/K300Fig.4Sketch diagram of computing domain and boundary condition s
24、ettingFig.5Sketch of experimental geometry(mm)20带有悬臂预喷注结构的压缩斜楔流场特性研究第 44 卷 第 8 期2023 年22010028-5件如表 4所示。在数值仿真过程中,为区分来流和喷注气体,将喷注气体命名为 Air 2 并设置其气体属性与空气保持一致。图 6 给出了实验和数值仿真获得的 Y=0 截面压力等值线图。从图可以看出,数值仿真获得的流场中,斜坡及射流诱导产生的斜激波和反射激波的强度、位置和数值与实验获得的结果基本吻合。图 7给出了喷注气体摩尔分数在 Y=0截面上的等值线图,从图中可以看出,在临近喷口处,数值仿真所获得的喷注气体扩
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 带有 悬臂 预喷注 结构 压缩 斜楔流场 特性 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。