双燃烧室冲压发动机混合增强及燃烧流场的实验和数值仿真研究

论文摘要

以双燃烧室冲压发动机(DCR)为研究背景,针对采用具有不同几何构型的隔板这种混合增强措施,对混合层的冷流和燃烧流场进行了实验和数值仿真研究。为考察各种隔板是否具有混合增强效果以及增混程度,开展了混合层冷流纹影实验和NPLS实验。在混合层冷流的纹影实验中,发现凹腔板混合层随着凹腔长深比的增大,混合层厚度变厚;凸台板、喷流板以及凹腔喷流组合板则未发现有显著的混合增强效果;后缘倾角隔板混合层厚度小于平板混合层;两种交错隔板均具有显著的混合增强效果,其中上下交错隔板混合层表现出了显著的非定常性,且混合层厚度与激波跨度的大小成反比;观察到了激波穿过混合层的折射现象;在混合层冷流NPLS实验中,观察到了与纹影实验相吻合的现象,两者相互佐证。针对各种隔板对混合层的稳态影响机理,开展了混合层冷流的定常RANS数值仿真。研究表明,凹腔板的增混机制与凹腔剪切层再附着于隔板后缘的厚度有关,再附着厚度越厚,混合层厚度也越厚;凸台板、喷流板以及凹腔喷流组合板未能增混的原因也在于隔板后缘贴壁层较薄;后缘倾角隔板由于隔板后缘回流区较小而使混合层厚度变薄;发现了激波穿越混合层时不仅存在折射现象,亦存在反射现象;发现两种交错隔板的流场具有强三维特征,两种隔板的增混机制是在隔板后缘处形成强力剪切,诱导出了大尺度的流向涡,增强了混合层的不稳定性。针对凹腔板的自激振荡对混合层的影响开展了LES数值仿真研究。研究表明,平板混合层在周期运动的假设下,混合层中空间点的压力波动频率即为该点拟序涡的频率,低频对应大尺度涡,高频对应小尺度涡,给定一点处的压力波动频谱,就可估算出一个周期内该点处出现的拟序涡的尺度;发现凹腔板混合层中涡的尺度比平板混合层显著增大;凹腔板混合层中各点的压力波动的频率分布向凹腔自激振荡的频率分布靠近,并且这种靠近受到自激振荡幅值的制约,即自激振荡幅值越大,这种靠近越明显;随着凹腔后缘倾角的减小,自激振荡的幅值减小,其激发起的涡的尺度也逐渐减小,增混效果也逐渐减弱。为考察凹腔板和交错板在提高燃烧效率方面的作用,开展了混合层燃烧流场的OH基自发辐射成像和OH基PLIF实验。发现三种凹腔板混合层的火焰分布与平板混合层的火焰分布差异不大,而两种交错隔板混合层的火焰分布区域则比较宽广,且OH基浓度也较高,但是,这种差异与冷流时混合层表现出的差异相比已不甚显著,表明在燃烧流场中凹腔板和交错板通过增强混合进而提高燃烧效率的作用已受到抑制;在数值仿真中,通过比较层流有限速率化学反应模型和有限速率/涡耗散模型,表明在混合层燃烧流场中,主导化学反应过程的是动力学因素,湍涡耗散的作用则十分有限;比较了三种凹腔板与平板混合层的计算结果,发现凹腔板在燃烧流场中的的影响确已十分微弱,这与实验观察到的结果一致。

论文目录

• 表目录
• 图目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 双燃烧室冲压发动机概述
• 1.1.1 双燃烧室冲压发动机的研究背景及基本工作原理
• 1.1.2 双燃烧室冲压发动机研究现状
• 1.2 混合层流动及燃烧流场研究现状
• 1.2.1 混合层流场的稳定性理论
• 1.2.2 混合层流场的实验研究和流动成像技术
• 1.2.3 混合层的数值模拟研究
• 1.2.4 混合增强措施
• 1.2.5 混合层燃烧流场研究现状
• 1.3 本文所做的工作
• 第二章 实验系统与数值仿真方法
• 2.1 直连式试验台
• 2.1.1 火炬和空气加热器
• 2.1.2 喷管和观测段
• 2.1.3 供应系统
• 2.1.4 配气台
• 2.1.5 测控系统
• 2.2 流动成像和燃烧诊断技术
• 2.2.1 激光高速纹影
• 2.2.2 NPLS 技术
• 2.2.3 OH 基自发辐射成像和OH 基PLIF 技术
• 2.3 数值仿真方法
• 2.3.1 控制方程
• 2.3.2 求解器参数设定
• 2.4 小结
• 第三章 混合层冷流流场的混合增强实验和数值仿真研究
• 3.1 混合层冷流纹影实验研究
• 3.1.1 实验工况和实验准备
• 3.1.2 实验结果及分析
• 3.2 混合层冷流NPLS 实验
• 3.2.1 实验工况
• 3.2.2 实验结果及分析
• 3.3 实验工况下的混合层冷流数值仿真
• 3.3.1 计算条件的给定及模型简化
• 3.3.2 网格生成
• 3.3.3 计算结果及分析
• 3.4 小结
• 第四章 凹腔自激振荡对混合层的影响研究
• 4.1 凹腔自激振荡特性
• 4.2 凹腔自激振荡对混合层的影响
• 4.2.1 计算条件的给定及模型简化
• 4.2.2 平板混合层的非定常特性研究
• 4.2.3 凹腔板混合层非定常特性研究
• 4.3 小结
• 第五章 混合层燃烧流场的实验和数值仿真研究初步
• 5.1 混合层燃烧流场
• 5.2 混合层燃烧流场的OH 基自发辐射成像及OH 基PLIF
• 5.2.1 OH 基自发辐射成像和OH 基PLIF 的演示实验
• 5.2.2 混合层燃烧流场的OH 基自发辐射和OH 基PLIF 实验研究
• 5.3 混合层燃烧流场的数值仿真初步
• 5.3.1 两种化学反应模型的对比
• 5.3.2 三种凹腔板与平板混合层燃烧流场的对比
• 5.4 小结
• 第六章 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果