《超燃條件下燒蝕支板強化液體燃料燃燒的機理研究》是依託清華大學，由郭印誠擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：超燃條件下燒蝕支板強化液體燃料燃燒的機理研究
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：郭印誠
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
超燃衝壓發動機內空氣來流在燃燒室內的停留時間只有幾毫秒，燃燒效率較低，為強化超燃條件下的燃燒過程，本研究提出在燃燒室內設定燒蝕支板這一新的設計思想，即採用燃料噴注支板與燒蝕支板組合的設計方案，將燒蝕支板設定在燃料噴射支板的下游，利用燒蝕支板所具有的高溫特性來強化液體燃料的燃燒過程。申請人先期開展的數值模擬研究表明，燒蝕支板可增強氣體燃料和空氣的混合，有助於提高燃燒效率。對於液體燃料而言，還存在液體燃料噴射、霧化、蒸發、混合、著火、燃燒等過程，因此，超燃條件下燒蝕支板表面所具有的高溫特性對上游支板噴射的液體燃料蒸發及燃燒過程的影響如何，是本項目研究的核心問題。本研究採用實驗、理論分析和數值模擬的研究手段，研究燒蝕支板對液體燃料蒸發及燃燒過程的作用規律，並進一步探討超燃條件下燒蝕支板的燒蝕特性及阻力特性，深化對超燃條件下燃燒過程的認識。為提高超燃衝壓發動機燃燒室內液體燃料的燃燒效率提供依據。
結題摘要
本項目以強化超燃衝壓發動機燃燒室的燃燒性能為背景，提出了燃料噴注支板與燒蝕支板組合的燃燒室新方案，採用數值模擬方法研究了新方案對超燃衝壓發動機燃燒室性能的影響。在超燃衝壓發動機燃燒室內加入燒蝕支板後，增強了燃料與空氣的混合，提高了火焰穩定效果，而且燒蝕支板還是一個穩定的點火源，這些因素最終導致帶燒蝕支板的燃燒室的燃燒效率高於不帶燒蝕支板的燃燒室。相比於單燃料噴注支板的燃燒室而言，在超燃衝壓發動機燃燒室內加入燒蝕支板後，雖然燃燒室內的總壓恢復係數有所下降，但燃燒室內燃料與空氣的混合效率及燃燒效率均有顯著提高，燃燒效率的提高彌補了燃燒室內的總壓損失，使得燃料噴注支板和燒蝕支板組合方式下的燃燒室比沖高於單燃料噴注支板時的比沖。基於顆粒動力學理論，在雙流體模型離散相控制方程中引入離散相壓力和擬溫度，通過對離散相控制方程進行特徵分析，證明了其控制方程系統為強雙曲型系統，解決了離散相控制方程求解的適定性問題。由於兩相控制方程具有一致的形式和性質，從而實現了採用統一的迎風型數值格式進行離散求解。對可壓縮兩相流動的雙流體模型數值計算的穩定性條件進行了研究，通過對氣粒兩相控制方程源項引起的剛性問題研究，得到了區別於單顆粒動力學理論的雙向耦合雙流體模型弛豫時間。基於可壓縮兩相流動雙流體模型，對超聲速來流中液霧垂直射流流場進行了數值模擬，得到了合理的氣相流場波繫結構以及液霧流場分布。通過建立液滴粒徑分布的經驗模型，在液霧相控制方程中體現了液滴粒徑分布的影響，粒徑分布模型的引入改善了通常假定單一粒徑情形的數值模擬結果。對後台階構型的超燃衝壓發動機燃燒室內的超聲速流動過程進行了數值模擬研究，分析了不同來流馬赫數和不同後台階擴張比對後台階流動再附長度的影響，並得到了高馬赫數條件下的再附長度的變化趨勢。針對凹腔/支板構型的超燃衝壓發動機燃燒室中液態煤油燃燒工況進行了數值模擬，由於支板的存在，煤油射流穿透深度有明顯增大，燃料與空氣形成的剪下混合層較狹長，同時煤油蒸氣在沿程射流軌跡附近富集，燃料與空氣的混合效率提高，適合於燃燒反應的高溫區主要集中在凹腔及壁面附近。此外，以液霧流場中液滴間的相互作用問題為背景，分別採用界面追蹤方法和光滑粒子動力學方法對液滴碰撞過程進行了數值模擬研究，模擬得到的液滴碰撞後的融合及分離結果與實驗現象吻合較好。
