近熄火條件下的超聲速穩焰凹腔燃燒流動特性研究

《近熄火條件下的超聲速穩焰凹腔燃燒流動特性研究》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由汪洪波擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：近熄火條件下的超聲速穩焰凹腔燃燒流動特性研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：汪洪波
• 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學

中文摘要

凹腔作為一種高效、低阻的火焰穩定器，被廣泛套用於超聲速氣流中的燃燒穩定和組織。雖然針對超聲速氣流中的穩焰凹腔已開展了大量研究，但目前仍未建立有效的凹腔火焰穩定或吹熄理論模型，凹腔的設計也缺乏可靠的準則；其中一個重要原因就是未明晰凹腔火焰的穩定或吹熄機制，對近熄火狀態下凹腔的燃燒流動特性缺乏清晰的認識。本項目擬採用先進的實驗觀測、高精度數值模擬及理論分析相結合的手段，研究超聲速氣流中穩焰凹腔的近熄火狀態，明晰近熄火條件下的凹腔剪下層及回流區熱力學與流體動力學特性，揭示凹腔火焰穩定機制及吹熄主導機制，發展可預測凹腔火焰吹熄極限的理論模型。研究成果將為穩焰凹腔的設計和燃燒的閉環控制提供理論指導。

結題摘要

利用實驗、計算和理論分析相結合的手段對近熄火狀態下凹腔的燃燒流動特性進行了研究，主要分析了近熄火條件下的凹腔剪下層及回流區熱力學與流體動力學特性，揭示了凹腔火焰穩定機制及吹熄主導機制，發展了可預測凹腔火焰吹熄極限的理論模型。 發展了分析凹腔剪下層卷吸過程的被動標量法，進而對凹腔剪下層的增長和卷吸特性進行了研究，考慮了來流馬赫數和凹腔構型影響。研究發現，凹腔剪下層的穩定性和增長率強烈依賴於可壓縮效應，這與自由剪下層中觀察到的類似。然而，在低超聲速條件下凹腔剪下層的增長率明顯高於自由剪下層增長率而且隨著可壓縮性增加更加迅速地減小。具有較大長深比和較大後緣傾角的凹腔，其剪下層增大率似乎更高一些。自由流體卷吸進入凹腔回流區的過程在很大程度上由剪下層與凹腔後壁之間的相互作用決定。相同馬赫數下，凹腔剪下層的質量流卷吸比低於自由剪下層卷吸比，在本項目研究條件下分布於0.6到1.7之間。 改變自由流的當量比以分別獲得穩定燃燒、近吹熄火焰和凹腔火焰熄火等工況。討論了不同條件下的流動和反應結構，並對超聲速氣流中的近吹熄火焰行為和凹腔火焰的吹熄過程進行了描述。發現吹熄以多步驟的方式發生——凹腔剪下層和回流區（RZ）主渦（PE）中的局部熄火，PE及其相鄰剪下層的完全熄火，RZ之次級渦流（SE）中的局部熄火，和最終的吹熄。在某些條件下，凹腔火焰可以持續一定水平的局部/間歇熄火，此後SE中的殘餘火焰可以重新點燃整個火焰。 針對凹腔剪下層發展和燃料射流噴注與混合建立了較為詳細的模型，進而建立了凹腔上游噴注燃料的火焰吹熄極限預估模型，在此基礎上初步發展了凹腔火焰穩定器設計方法。研究成果將為穩焰凹腔的設計和最佳化提供理論指導。