带有环形入口的超音速燃烧室中双反应区的火焰稳定性特性

《Combustion and Flame》：Flame stabilization characteristics of dual reaction zones in a supersonic combustor with an annular entrance

　　

摘要

提出了一种具有环形入口的双反应区超音速燃烧室，并研究了其火焰稳定特性。该燃烧室由一个中心环形喷射段和一个腔体组成。使用乙烯作为燃料，当总当量比（ER）分别为0.30、0.40和0.50时进行实验。通过火焰化学发光成像、壁压测量和大涡模拟来研究燃料输送、自燃、燃烧模式和热量释放特性。结果表明，在测试的当量比条件下，非反应流场中的乙烯分布相似。当ER=0.50时，环形喷射使得燃料能够渗透到通道高度的大约三分之一，促进了燃料与空气的早期混合。进入中心循环流的质量流量达到92.74克/秒，占总流量的22.9%，而进入腔体循环流的质量流量仅为0.15克/秒。这种质量交换的差异解释了初始火焰优先在中心循环流中形成的原因。自燃过程分为两个阶段：首先在中心剪切层和循环流中快速形成火焰，然后是腔体剪切层中的火焰形成以及两个火焰之间的耦合。Damk?hler数和标量耗散分析表明，高温停留时间、足够的流动停留时间和低至中等的标量耗散促进了自燃。在稳定燃烧过程中，燃烧室主要由亚音速燃烧和预混燃烧支配。亚音速燃烧贡献了总热量释放功率的64.13%，而预混燃烧贡献了55.12%。燃料混合效率在腔体后缘附近达到100%，最大燃烧效率达到86.7%，这表明该环形入口双反应区燃烧室具有高效的燃料混合和热量释放能力。

引言

超音速燃烧室是冲压喷气发动机的心脏部件，其燃烧组织直接影响发动机的推进性能和操作稳定性[1]。然而，在有限的燃烧室长度内实现火焰稳定和高效热量释放是困难的，尽管主流停留时间仅约为1毫秒[2]，燃料/空气混合不完全[3]，湍流耗散强[4]，以及碳氢燃料的点火延迟较长[5]。因此，通常引入火焰稳定器来创造有利于火焰稳定的局部条件[6]。在燃烧室横截面和气流组织方面，以往的研究主要集中在两种配置上：矩形入口燃烧室和圆形入口燃烧室。

矩形入口燃烧室在超音速燃烧研究中得到了广泛应用，因为它们便于飞机-发动机集成、制造和光学诊断[7,8]。腔体[9]、支柱[10]和后向台阶（BFS）[11]火焰稳定器在燃料混合特性[12]、动态点火和火焰传播[13,14]、燃烧模式和火焰稳定机制[15][16][17]方面得到了广泛研究。在这些配置中，火焰稳定性通常是通过产生低速循环流和剪切层反应区来实现的，其中热产物、活性自由基和反应物可以在此区域内保留并与超音速主流气体交换。腔体在剪切层下方提供了相对较大的循环流[9]，而支柱和BFS则产生紧凑的尾流循环流以固定火焰[11,18]。然而，在矩形燃烧室中，滞留在低速腔体循环流中的热产物可能对相邻平坦壁造成更高的热负荷，导致局部热负荷集中[19]。

与矩形入口燃烧室相比，圆形入口燃烧室具有周向结构连续性、更高的承载能力、无角效应以及紧凑性[20]，因此近年来吸引了越来越多的关注。Liu等人[21,22]研究了马赫数Ma=4.5时的光轴对称冲压喷气发动机，表明腔体提供了低速循环流和冲击波压缩，有助于火焰稳定，而冲压-冲压模式转变则由热量添加与面积释放之间的平衡决定。Tang等人[23][24][25]研究了高焓和高雷诺数的轴对称腔体燃烧室，表明冲击波-火焰相互作用、涡旋结构和燃料/空气混合共同决定了燃烧过程和热量释放分布。Ma等人[26,27]研究了马赫数为8的圆形燃烧室，发现腔体在热量释放较低时主要起到火焰稳定作用，而随着热量释放的增加，其燃烧增强效果变得更加明显。Yan等人[28]表明非对称气流会改变圆形燃烧室中的火焰形态和产物分布。Yang等人[20]进一步表明，在圆形腔体上游引入BFS可以增强压缩、涡流吸入和燃料滞留，从而促进预混合并提前燃烧开始。这些研究表明，圆形入口燃烧室受到冲击波、循环流、燃料混合和热量释放的耦合效应的强烈影响。然而，在大型圆形燃烧室中，燃料喷射到主流核心和周向混合仍然具有挑战性。

针对这些问题，提出了一种具有环形入口的双反应区超音速燃烧室，该燃烧室结合了矩形入口和圆形入口燃烧室的特点。在这种配置中，一个中心环形喷射段和一个腔体被整合到一个轴对称流道中。环形流道和周向喷射有望缩短燃料输送距离，并在紧凑的燃烧室长度内增强燃料/空气混合[29,30]，而两种循环流之间的相互作用可能促进热量集中释放并减少燃烧所需的有效流道长度[31]。因此，这种配置旨在保留圆形燃烧室的结构优势，同时改善燃料输送、局部停留和热量释放组织。

在这项研究中，利用火焰化学发光成像、壁压测量和大涡模拟（LES）来研究具有环形入口的轴对称双反应区超音速燃烧室。分析重点包括：（1）非反应流场中主流与两个循环流之间的燃料输送和质量交换；（2）燃烧室内的动态自燃和火焰传播过程及其控制机制；（3）稳定燃烧期间的主要燃烧模式、热量释放分布和燃烧效率。研究结果为圆形超音速燃烧室中的火焰稳定组织和高效热量释放设计提供了指导。

章节摘录

轴对称超音速模型燃烧室

图1(a)展示了轴对称超音速模型燃烧室的直接连接测试装置的示意图。该装置主要由空气加热器、环形喷嘴、模型燃烧室和膨胀段组成。在空气加热器中，通过燃烧酒精、空气和氧气的混合物产生高焓流，其停滞温度为1800 K，停滞压力为0.85 MPa，总质量流量为0.405 kg/s。生成的混合气体包含O?、H?O、CO?等成分。

非反应流场

为了分离燃料输送和混合过程，在非反应模拟中关闭燃烧模型并将所有化学反应源项设置为零。在三种当量比（ER）条件下，非反应流场的乙烯分布相似。因此，选取ER=0.50的情况作为代表。图7显示了ER=0.50时非反应流场中的瞬时乙烯质量分数分布，包括中心平面（图7a）。

结论

本研究提出了一种具有环形入口的双反应区超音速燃烧室。该燃烧室由一个中心环形喷射段和一个腔体组成。结合实验诊断和大涡模拟来研究火焰形成过程中的流动和燃烧过程。由于在测试的当量比条件下观察到相似的演变特征，因此选择ER=0.50的情况进行详细分析。主要结论如下：

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CRediT作者贡献声明

Menglei Li：撰写——原始草案、方法论、数据分析。Bin An：撰写——审阅与编辑、方法论。Peibo Li：资金获取。Jiaoru Wang：方法论、数据分析。Mingbo Sun：监督。