关键词:
超声速气膜冷却
氢气
碳氢燃料
边界层燃烧
激波/气膜相互作用
摘要:
以超燃冲压发动机为动力的高超声速飞行器正进一步向着更高马赫数(Ma8~10)方向发展。研究表明Ma 8飞行时,发动机内流道的摩擦阻力占到发动机净推力的45%以上,燃烧室温度可达3000 K以上。极端的力/热载荷给发展面向高马赫的高性能、高可靠性超燃冲压发动机带来了严峻的挑战。超声速燃料气膜在近壁形成隔热层的同时可以被高焓含氧主流引燃,发挥额外的边界层燃烧减阻效果,从而具有同时大幅降低壁面力/热载荷的潜力,有望成为突破高马赫数发动机极端减阻和防热瓶颈的关键技术。然而目前关于高马赫数发动机中氢与碳氢燃料气膜的防热和减阻的耦合特性缺少系统性研究,两者之间的转换机制尚不明确。此外,在超燃冲压发动机中组织燃料气膜冷却又不可避免地会面临激波-气膜-边界层燃烧三者相互作用的复杂问题,激波在对燃料气膜减阻和防热特性产生显著影响的同时也使其成为一种潜在的调控手段,但其调控规律未知。因此,本文旨在探究超声速燃料气膜边界层燃烧下的减阻/防热机理以及激波的调控规律,从而为发动机中燃料气膜冷却设计提供新的理解和指导。
本文首先对超声速燃料气膜冷却问题进行模型抽象,针对燃料气膜在与高焓含氧主流掺混燃烧过程中具有近壁强剪切,强各向异性、化学非平衡以及潜在边界层分离的湍流反应流建立大涡模拟数值模型。随后对数值模型进行逐级递进验证,结果表明数值模型对无粘Taylor-Green流动光滑解具备动能守恒的低耗散属性和较高的解析率;对Sod激波管问题具备良好的间断分辨率和稳定性;对超声速平板边界层流动具备较高的湍动能解析率和较快的湍流边界层恢复速率。最后通过对Burrows-Kurkov边界层燃烧试验对数值模型进行总体性直接验证。
基于所建立的大涡模拟数值模型,对氢与碳氢燃料超声速气膜边界层燃烧进行数值模拟研究,对比探讨氢与碳氢燃料气膜在不同剪切强度下的近壁流动以及化学反应中的能量空间分布特征。发现在较弱的剪切和燃烧热膨胀作用下,氢气膜近壁附近的弱剪切湍流具有正向的宏观移动;而在较强的剪切作用和热膨胀作用下,碳氢燃料气膜在近壁附近的强剪切湍流具有负向的宏观移动。氢气膜的边界层燃烧由较薄的扩散火焰构成,反应处于近平衡状态,近壁附近存在显著的释热源项;而碳氢燃料气膜的边界层燃烧由较厚的扩散火焰构成,反应具有显著的非平衡效应,近壁附近存在具有预混性质的吸热裂解反应区,且吸热强度与外侧氧化反应的释热强度量级相当。
之后通过分析主流与燃料气膜间的输运通量建立起气膜的基本流动燃烧特征与其壁面减阻和防热效果之间的内在联系,从而揭示边界层燃烧情况下燃料气膜的减阻和防热机理以及转换关系。研究发现氢与碳氢燃料气膜的边界层燃烧均是通过迟滞主流与气膜间的动量通量,降低壁面摩阻的恢复速率来发挥额外的减阻效果。虽然边界层燃烧对热通量也具有迟滞效应,但其在加速消耗高热容氢气的同时还在近壁附近产生了强烈的释热源项,使得氢气膜的防热效果在释热-迟滞-传质的双重竞争作用下大幅降低;而对于碳氢燃料气膜来说,其防热效果在近壁吸热-迟滞的协同竞争作用下得到大幅提升。因此,强剪切湍流和有限的近壁释热源项是燃料气膜边界层燃烧同时提升其减阻和防热效果的前提条件。
最后,在上述的研究基础上,探究激波对氢与碳氢燃料气膜减阻和防热特性的影响规律。发现激波入射将大幅增强主流与气膜间的掺混速率,从而有效解除燃料气膜边界层燃烧所处的“自限”状态,使得燃料气膜的防热效果向减阻效果具有近线性的转换关系。揭示了激波入射点处分离泡中的对流-湍流接力的影响机制:分离泡中的上涌运动使得边界层底部物质移动到分离泡外缘,随后分离泡外缘中强烈的湍流扩散作用使得来自边界层底部的气膜与主流进行充分的质量,动量,能量交换,然后随着分离泡的再附,充分混合后的物质团又再次回注回气膜。整个过程的宏观效果表现为激波对气膜与主流之间掺混过程的增强,且边界层分离程度越大,增强效果越显著。