後緣突擴凹腔超聲速流動模式判定及火焰穩定過程研究

《後緣突擴凹腔超聲速流動模式判定及火焰穩定過程研究》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由孫明波擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：後緣突擴凹腔超聲速流動模式判定及火焰穩定過程研究
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：孫明波
• 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學

中文摘要

最近後緣突擴凹腔火焰穩定器在超燃衝壓發動機燃燒室中開始得到套用；相對於常規凹腔，該凹腔組織燃燒的結構更加簡單，流動損失更小，低馬赫數條件下不易發生熱壅塞，高馬赫數下燃燒室壓力和熱流密度降低，熱防護難度相應降低。凹腔後緣突擴效應使其超聲速流動、燃料噴注混合以及燃燒過程與常規凹腔有顯著不同，本項目擬結合精細的實驗測量、數值模擬以及理論分析，給出後緣突擴凹腔超聲速流動模式判定準則，揭示燃料噴注混合以及向凹腔內的質量輸運過程；給出近貧燃極限條件下凹腔剪下層與回流區燃燒特徵，明晰近貧燃極限條件下該凹腔的火焰穩定機制；揭示強放熱狀態下後緣突擴凹腔超聲速燃燒流動特性，探索發展凹腔構型的高效低阻設計方法。

結題摘要

本項目以套用於超燃衝壓發動機燃燒室中的後緣突擴型凹腔火焰穩定器為研究對象，以進一步明晰其流動模式與穩焰機理為研究目標，綜合採用數值仿真、實驗觀測與理論建模的方法，對超聲速氣流中後緣突擴型凹腔的流動、混合、燃燒特性開展了研究。採用數值模擬方法研究了不同後緣突擴率凹腔構型下二維冷態流動特性，探討了後緣突擴效應對於凹腔冷態流動特性的影響。總結了超聲速氣流中後緣突擴凹腔的流動模式，並建立了一個關聯凹腔內外流動物理量參數的剪下層增長率數學模型。結合實驗與數值模擬手段研究了後緣突擴型凹腔上游噴注燃料的燃燒特性。提出了一個關於後緣突擴凹腔火焰穩定性的幾何極限概念，闡釋了凹腔幾何構型量變引起凹腔穩焰性能質變的物理機制。進一步分析了凹腔後緣高度對凹腔穩定的火焰結構的影響。通過改變凹腔構型與全局當量比發現了後緣突擴凹腔燃燒流場的三種穩燃模式。包括凹腔剪下層穩燃模式，擴張回流區/抬升剪下層穩燃模式與凹腔輔助的射流尾跡穩燃模式。基於實驗現象與數值模擬結果建立了後緣突擴型凹腔的火焰穩定邊界模型。接著本文對超聲速後緣突擴凹腔燃燒室中的強迫點火過程開展了試驗研究。提出了利於強化點火的最佳化凹腔上游並聯式燃料噴注方案以及最佳化凹腔後緣點火位置，分析了凹腔構型對點火過程的影響，辨析了初始火焰的三維傳播路徑及點火過程中熱環境和化學環境的相互作用機制。總結歸納了強迫點火過程中的特徵現象並歸納為四個階段，分別為電漿點火階段、電漿猝熄階段、再點火階段和穩定火焰階段。同時揭示了普遍存在的兩種點火模式及其機理，即點火過程在凹腔回流區輔助下完成的弱點火模式，以及點火過程由強烈初始火焰主導的強點火模式，在弱點火模式和強點火模式之間還普遍存在過渡點火過程。基於採用乙烯複雜化學反應機理條件下開展的點火過程數值仿真結果，發現在強迫點火源作用過程中，誘導產生的活化基團相比於高溫熱環境將發揮更為主導的點火強化作用。