燃烧室纵向压力振荡对燃料掺混过程的影响

发布时间：2022-01-24 03:27

　　对于气/气同轴剪切喷嘴,推进剂通过射流剪切过程产生的相干涡实现掺混,这一过程不仅决定了下游燃烧释热分布情况,也容易受到燃烧室压力振荡的影响,研究上述问题对于认识高频燃烧不稳定问题具有重要意义。主要通过非定常燃烧流场仿真,给出了不同稳定性工况下单喷嘴燃烧室纵向压力振荡过程以及相应时刻涡量场,对比分析了不同幅值压力振荡对燃料射流掺混过程的影响规律,并结合轴向平均温度及燃烧释热分布,讨论了主要燃烧释热区集中程度和相对波腹位置与稳定性之间的关系。研究表明:燃烧室压力振荡会显著影响气态燃料射流掺混过程,造成相干涡结构横向抖动加剧,使相应的释热和温度分布更靠近喷注面附近的声振波腹区,而喷嘴出口射流动能的增加会使燃烧释热区沿轴向更加散布,有利于稳定性的提高。 

【文章来源】：火箭推进. 2020,46(06)

【文章页数】：9 页

【部分图文】：

CVRC燃烧室结构

上述2个工况的稳定性差异是通过调节氧喷嘴长度,继而改变燃烧室声学特性来实现的,并没有改变内外喷嘴出口射流的动能,因此,可以用来讨论不同幅值压力振荡对燃料射流掺混过程的影响。为了单独对比不同射流条件与不稳定性之间的关系,本文增加了第3个工况,与第2个工况的唯一区别是,该工况通过人为降低氧喷嘴直径(Case III: dio=15.4 mm)来提高其出口射流动能,3个工况下喷嘴几何差异如图4所示。图4 喷嘴几何差异

相比之下,维持机理的研究相对容易。这是因为,一般认为对于通过流动实现燃料掺混的燃烧室发生HFCI现象时,其内部燃料流动掺混、燃烧释热以及声振三者之间存在明显的耦合关系[7-8](见图1)。因此,采用解耦思想或方法,研究燃烧子过程与燃烧室压力振荡之间的相互作用过程,就能够揭示维持HFCI的关键内在机理,从而为降低实际发动机燃烧振荡幅值提供参考。宏观上,Rayleigh准则[9]给出了维持HFCI的必要条件,即当燃烧释热与压力振荡之间的相位小于90°时,压力振幅就可能会被放大。实际情况是,推进剂在发生化学反应之前都需要经历一段关键的掺混过程[10],这一过程往往决定了下游燃烧过程的特征时间和特征位置,是决定最终热声耦合强弱的关键物理过程之一。由于上述掺混过程通常在靠近喷注器的区域完成,该区域也被称为声振敏感区[1-2],研究该区域内燃烧室压力振荡对燃料掺混过程的影响对于揭示HFCI现象的维持机理具有重要意义。相对于液态燃料的雾化燃烧,气态燃料的非预混燃烧过程更容易受到燃烧室压力振荡过程的影响[3]。Culick等人指出:气态燃料射流剪切掺混涡在初始状态具有最小能量量级,此时容易受到燃烧室压力振荡的影响[6]。Purdue大学近年来的研究也表明:喷嘴出口射流剪切涡不仅决定下游燃料的掺混过程,还与不稳定频率之间关系密切[11-14]。美国空军实验室(AFRL)的研究表明:喷嘴射流声振敏感性可以用燃料喷嘴出口射流的动能ρu2/2来衡量,当燃烧室压力振幅与该值的比值达到某一个值时会显著影响其下游的掺混过程[15]。为了进一步认识两者之间的相互作用规律与燃烧稳定性的内在联系,本文在上述工作的基础上,重点讨论了燃料射流剪切掺混过程与燃烧室内压力振荡的非定常作用过程,并结合相应工况下的轴向平均温度和燃烧释热分布,分析了上述过程与稳定性之间的关系。

【参考文献】：
期刊论文
[1]燃烧室非线性压力振荡及其产生机理研究[J]. 汪广旭,付秀文,石晓波,刘占一,杨建文.  火箭推进. 2016(02)



本文编号：3605751