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碳氢燃料超声速燃烧研究进展(下)
    时间:2017-12-6     点击率:58

编者按:力学研究所的超声速燃烧研究是由俞刚研究员在1994年开启的,多年来得到了国家863计划、基金委和科学院的支持,研究队伍不断壮大,研究成果不断涌现。他们围绕超声速燃烧基础问题和超燃冲压发动机关键技术的需求,建成了直联式超声速燃烧实验装置和自由射流超燃冲压发动机实验装置,发展了非侵入性激光诊断技术,进行了氢/空气和煤油/空气超声速混合与混合增强、自点火极限规律、维持稳定燃烧、燃烧室构型与性能的关系、碳氢燃料超声速燃烧特性等的试验与理论研究,相关成果受到了国际、国内同行的关注。这里,着重介绍近年来范学军研究团队在航空煤油/空气超声速燃烧研究方面的进展。

碳氢燃料超声速燃烧研究进展(下)

2009年为止,除了美国的2.4HTT自由射流风洞外,世界各国均没有开展再生主动冷却系统与发动机一体化实验研究的专门设备。近年来,美国和法国分别启动了长时间直联式超燃试验系统的研制,用于碳氢燃料再生主动冷却基础性和规律性的研究。范学军研究团队在力学所长期以来积累的直联式超声速燃烧实验装置以及测试技术研发的基础上,发展了长时间直联式超燃试验台装置,完善了相应的测试手段,有效地弥补目前我国高超声速技术研究领域长时间试验条件的欠缺,使完成配套任务的能力得到显著提高。

一、诊地面试验装备研制

工程规模的超声速燃烧实验装置涉及到气体动力学、燃烧化学、传热学的理论基础以及高压气源传输与控制、测量和数据采集控制系统(包括硬件和软件)等,十分复杂并具有挑战性。目前,用于超声速燃烧的实验装置主要有两大类:直联式试验台和自由射流风洞。直联式试验台主要用于燃烧室性能的实验研究,不涉及进气道和尾喷管的性能。所谓“直联式”,就是将一个超声速喷管和模型燃烧器直接连接在一起,其中的“模型燃烧器”就是待研究的超燃发动机燃烧室的一个缩尺模型(参见图1,2),前面的“超声速喷管”要产生一股高温高速气流,其温度和速度要模拟超燃发动机燃烧室入口的来流状态。所以,直联式试验台不能直接采用常态空气进入超声速喷管产生模型燃烧器的来流,这样在模型燃烧器入口处的来流可以满足速度要求却不能满足温度要求,必须都要配置一个“加热器”。这个加热器可以采取不同的加热方式,例如“烧氢补养”或“液氧/丁烷燃烧”等。图3给出直联式超燃试验台总体结构的示意。

1 若干直联式试验台的模型燃烧器实物照片

2 实验运行中的直联式超燃试验台照片

3 直联式超燃试验台总体结构示意

近年来,随着超声速燃烧研究的深入,长时间直联式超燃试验台已成为与当前工程应用密切结合的主力设备,主要用于燃料再生冷却试验和燃烧室热结构试验(包括热平衡、模态转换)等关键基础性问题的研究。2008年以来,在中国科学院相关项目与所自筹经费支持下,范学军研究团队自主创新地成功研制了“烧氢补氧”长时间直联式超声速燃烧实验装置和与之配套的碳氢燃料主动冷却燃烧室,安置在中关村园区(参见图4)。该装置达到了流量5公斤/秒,总压20 大气压,总温2000 K,运行时间大于90秒的能力。其中,60s长时间超燃试验成为国家重大任务2009年度的标志性成果。从2011年开始该试验平台主要针对主动冷却燃烧室燃料闭环反馈控制技术进行升级改造,于20132月,成功进行了单模块主动冷却发动机300秒燃料切换与闭环燃烧试验,为有关部门的工程中心提供了强有力的技术选择方案。

4 长时间直联式超声速燃烧实验装置(中关村园区)

但按照国家重大任务计划进度安排,该试验台还远远不能满足研究的试验需求。因此,自2011年起,范学军研究团队又同时在力学所怀柔园区开始建设完全自主创新的具有运行时间长、大流量、功能较全、测试手段先进、成本较低等特点的液氧/丁烷长时间直联式超燃试验平台。目前,试验台已进入正式运行阶段,正在开展国家重大任务的大型试验研究。这个新建的试验系统采用了当前许多最先进的技术,例如液氧丁烷加热器技术。由于液氧与丁烷在存储、输运等方面有着便利而且安全的优点,加上燃烧产物的分子量与空气的分子量非常接近,更加适合于实际吸气式推进系统的试验模拟。

二、诊断测量技术开发

为了摸清稳焰模式及存在条件、稳焰模态转换与火焰稳定极限的关键影响因素等问题,范学军研究团队开发了高速脉冲纹影流场显示技术、高速脉冲纹影和平面激光诱导荧光组分测量技术(PLIFCH-PLIF)的同步测量系统。

高频脉冲纹影技术核心创新点是采用高强度非相干脉冲火花光源作为纹影光源。如图5所示,在1μs的曝光时间内,燃烧背景光的强度相对于脉冲光源的单次脉冲放电强度可以忽略不计,因此可以有效抑制燃烧背景光的影响。

5 滤除燃烧室背景光原理图

为了进一步研究超声速燃烧过程中流动与化学反应的相互耦合过程,又进一步开发了高速脉冲纹影和PLIF同步测量系统(参见图6)。为了解决两种不同技术的同步控制和干扰等问题,他们将激光脉冲与脉冲火花光源的脉冲间隔控制在约100ns左右,因此可以认为脉冲纹影和PLIF分别获取了超声速燃烧室内同一燃烧瞬态的流场结构信息和火焰结构信息。另外还通过ICCD受触发后可在450ns隔内连续曝光2次,以此来扣除激发光时燃烧场的背景信号及暗电流的影响(参见图7)。

6 高速脉冲纹影与CH-PLIF同步测量光路示意图

7  高速脉冲纹影与PLIF同步测量时序

三、若干重要的实验结果

利用上述脉冲纹影和CH-PLIF同步测量系统,范学军研究团队首次在M= 2.5的直联台上测得了超声速燃烧同一瞬态的流场结构与火焰结构。图8示出了来流空气的总温为1220K、总压为1.0MPa且燃料为乙烯时,三个典型瞬态的流场结构和CH浓度分布的图像,这里可以依据CH浓度的高低来判定火焰的结构(图中蓝色区域表示PLIF片光区域,红色代表浓度最高区域)。由此可以得知,在流场与燃烧之间存在强相互作用的情况下,碳氢燃料超声速燃烧火焰可以存在不同的区域里:在燃料射流尾迹中(参见图8a)所示);凹腔剪切层中(参见图8b)所示);凹腔内部(参见图8c)所示)。而且,碳氢燃料的超声燃烧火焰是以漩涡小火焰的方式存在,这和早期研究过的氢气火焰的存在形式是有所不同的。这一同步测试系统解析了超声速燃烧火焰传播时火焰和流场的动态变化。

8超声速燃烧室内三个典型瞬态的流场结构和CH浓度分布

范学军研究团队通过在长时间超声速燃烧试验台上开展的乙烯喷注燃烧试验,还发现了四种典型的稳焰区域。9示出了四种稳焰模式:凹腔内稳焰(Inside the cavity)、凹腔剪切层稳焰(Cavity shear layer)、射流尾迹稳焰(Jet-wake)以及振荡稳焰(Oscillation)。

9  四种典型的稳焰模式

10为利用静压数据计算的平均马赫数分布曲线,从中可以看到,稳焰模态在剪切层稳焰与射流尾迹稳焰之间振荡时,燃料喷注处平均马赫数恰好为1。图11标记出有燃料喷注时流场的发生燃烧反应区域的范围,从中也可以看出,稳焰区域间发生振荡时,燃料喷注的穿透深度发生着明显的不断变化,这种变化本身表示形成气动喉道的可能。综合以上分析可以确定:稳焰模态振荡与燃料喷注处附近气动喉道的形成与演变密切相关。

10  平均马赫数分布曲线

11 稳焰模式振荡时流场结构和反应区域

四、大涡模拟数值模拟研究

超声速燃烧过程在时空上具有强瞬变、强湍流、强压缩、各向异性和物理化学现象相互耦合的非线性特点。随着计算机性能的飞跃提高以及数值方法的不断发展,模拟实际问题的可能性使得计算流体动力学 (CFD) 逐渐成为除实验以外另一种可用的研究工具。

大涡模拟(large eddy simulation, LES) 模型的高保真性能抓住大尺寸的动态运动,在计算非定常的燃烧过程时(如点火和熄灭过程),LES能给出准确的湍流脉动统计揭示湍流的影响,因为它能抓住小尺度的湍流以及更好地模拟湍流与燃烧的相互作用,这些能使燃料混合和火焰的重要变化特征得以保持与捕获。因此, 采用 LES 应是目前很好的选择。

2014年,范学军团队建设了高性能计算平台,自主开发了基于显式大涡模拟的超声速多组分湍流流动计算程序AstroFOAM,并且通过无化学反应的超声速流的数值计算,验证了程序的准确性与稳定性。随后,他们利用此平台系统,开展了矩形、圆截面、圆变椭圆截面等多种型线超声速燃烧室的全尺寸大涡模拟(12和图13),并进行了燃烧性能对比分析。

12矩形截面超声速燃烧室内部三维湍流旋涡结构及分布, 当量比() 0.6 ()1.0

13圆变椭圆截面(RdEST)的超声速燃烧室内部三维马赫场及波系结构

同时,基于自主开发的超声速可压缩流动计算程序AstroFoam,在高分辨率计算网格上,开展了不同射流喷压比条件下的三维非稳态大涡模拟。研究着重分析了欠膨胀声速射流的湍流失稳过程和失稳机理,系统揭示了射流喷压比对射流穿透深度和宽度的定量影响规律。图14显示了欠膨胀射流的瞬态流动特征和波系结构。图14的结果表明了欠膨胀射流存在两种声源:其一位于射流下游,它所辐射的声波会同时向下游和上游传播;其二是沿着射流剪切层分布的K-H不稳定波,它仅向下游传播。在射流下游,由于K-H波和声波的叠加,使得下游远处的声场强度大于上游。

14 欠膨胀射流的瞬态流动结构和声场特征

15直观显示了典型的射流剪切层大尺度螺旋结构及特征,其中下方的中间图为单螺旋模态。通过数值模拟,发现了在低射流喷压比下,波数|m|=1的单螺旋是射流主导螺旋模态;随着喷压比的升高,波数|m|=2的双螺旋对射流结构的影响增加,形成了更加复杂的剪切层结构。对螺旋模态结构特征及其影响因素的深入分析,将有助于深入揭示剪切层不稳定性的产生机制。

15 欠膨胀射流剪切层大尺度螺旋结构及特征

此外,范学军团队还通过数值模拟,精确地捕捉了射流近场的瞬态结构,首次发现了马赫桶内小尺度的胞格结构(图16,其中左图为平均结果,而右图为瞬态图像。这一结果已经通过高速脉冲纹影的实验结果进行了验证。

16 欠膨胀射流喷口附近流场的精细结构

近年来,有关数值模拟的研究,进一步促进了对欠膨胀射流流动特征的认识。特别是细致地揭示了燃料欠膨胀射流喷注时的掺混特征,从而可以实现有目的地利用外部流场条件配置增强超声速燃料射流的混合性能。

综上所述,范学军团队紧密结合超燃冲压发动机研究要进一步走向实用的需求,在大力发展新型、先进的地面试验与测试技术,在深入细致地开展超声速燃烧特性等方面的实验和数值模拟研究方面,都取得了很好的进展。我们期待他们的努力不仅能够为超燃冲压发动机的设计提供理论依据、实验方法与实验数据,提升我国自主创新能力,而且能够带动高超声速流动与化学反应流动等相关学科的进一步发展。

                                    (王柏懿依据张泰昌、王晶提供的材料编写)