3.1 冷流流场
首先对燃烧室冷流流场开展数值模拟。图2、图3分别给出了特征面上燃烧室马赫数云图、流线和压力云图。其中压力云图采用隔离段入口静压p0无量纲化。从图中可以看出,台阶以前,一级燃烧室内,流动较为平稳,凹腔前缘剪切层跨过整个凹腔,为开式凹腔流动特征,气流在凹腔尾缘压缩,形成激波; 台阶以后,二级燃烧室内,由于台阶的存在,气流突然膨胀加速,压力随之降低。气流流经台阶,形成有利于燃烧和火焰稳定的低速回流区; 随后,台阶前缘剪切层在回流区后再附,形成再附激波。在二级扩张段及尾喷管,静压基本恒定。
图2 冷流流场马赫数云图及流线
Fig.2 Mach number cloud diagram and streamline of cold flow field
图3 冷流流场压力云图
Fig.3 Static pressure cloud diagram of cold flow field
3.2 化学反应流场
图4给出了燃烧室化学反应流场静温分布云图。可以看到,使用支板喷注燃料,加强了燃料的穿透能力及燃料与中心空气流的掺混能力,起到了混合增强及改善燃料分布均匀的效果,并且支板还有利于火焰向横向(y向)传播,扩大燃烧反应区域,有利于实现燃料的高效燃烧。在台阶低速回流区内,燃料释热,温度升高。从图4中还可以发现,高温区主要集中在一级扩张段上壁对称面附近区域,二级扩张段和喷管上壁温度也较高。这对燃烧室壁面冷却方案的设计具有一定的参考意义。
图4 化学反应流场静温云图
Fig.4 Static temperature cloud diagram of chemical reaction flow field
图5给出了燃烧室化学反应流场马赫数云图。对比图4、图5可以发现,与冷流状态相比,煤油燃烧释热使得燃烧室马赫数分布有较大变化。燃料在凹腔附近的一级扩张段剧烈释热,气流温度突升,释热壅塞造成该区域成为大面积亚声速区,在二级扩张段入口台阶附近气流重新变为声速。由于台阶处的突扩,气流在二级燃烧室入口突然膨胀,随后在二级燃烧室前段扩张通道内持续加速。由于二级扩张段后段及喷管内,部分燃料继续释热及激波影响,气流速度在该区域内出现波动并略有下降。
图5 化学反应流场马赫数云图
Fig.5 Distribution of Mach number in the chemical reaction flow field
图6给出了燃烧室特征面上化学反应流场静压分布。一级扩张段内压力升高后向上游(隔离段)扰动。虽然隔离段入口的超声速条件(见图5)未遭到破坏,但是隔离段裕度有限。在二级燃烧室前段,超声速气流在扩张通道内静压不断下降; 在二级燃烧室后段及喷管位置,由于部分燃料继续释热(见图4,加热超声速气流会引起压力升高)及激波影响,造成该区域静压波动并略有升高。
图6 化学反应流场静压分布
Fig.6 Distribution of static pressure in the chemical reaction flow field
图7、图8分别给出了燃烧室特征面上化学反应流场二氧化碳CO2和水蒸气H2O质量分数云图。可以看出,燃烧产物的分布相似,均从凹腔附近开始大量生成并向下游发展。支板后燃烧产物质量分数在进入二级扩张段后变化不大,说明支板煤油燃烧在一级扩张段内基本结束。台阶后燃烧产物的等值线分布规律则表明,进入台阶后的煤油燃烧在二级扩张段前半段内基本结束。
图7 化学反应流场CO2质量分数云图
Fig.7 Mass fraction of CO2 in the chemical reaction flow field
图8 化学反应流场H2O质量分数云图
Fig.8 Mass fraction of H2O in the chemical reaction flow field
图9、图 10分别给出了特征面上氧气O2及煤油质量分数云图。图9中A区还有部分O2未参加燃烧,图 10中贴近燃烧室下壁面一侧及台阶后局部区域较为富油,至喷管出口仍有部分煤油未参与燃烧。这些现象表明:可通过调整凹腔供油规律(供油点位置、油量),减少支板下方喷孔供油量等方式,提高来流O2的利用率及煤油的燃烧效率。
图9 化学反应流场O2质量百分数云图
Fig.9 Mass fraction of O2 in the chemical reaction flow field
图 10 化学反应流场煤油质量百分数云图
Fig.10 Mass fraction of kerosene in the chemical reaction flow field