新型凹腔火焰稳定器——“燕尾槽”流动特性研究

Abstract

超燃冲压发动机作为一种吸气式推进装置,在未来高超声速飞行中具有良好的应用前景。其中,燃烧室的设计是超燃冲压发动机的核心技术,但是由于空气来流速度高,燃料在燃烧室中停留时间短,燃料和空气不能够有效的混合,导致发动机燃烧效率较低。1993年,俄罗斯CIAM(中央航空发动机研究院)设计了壁面凹腔作为火焰稳定器,并在俄/法联合实验中成功应用。目前,一种后壁有倾角的二维结构壁面凹腔已经被大量研究,研究结果表明,凹腔内形成的高温低速回流区可以起到稳定火焰的作用。但是同时由于凹腔内回流区较强的封闭性,致使凹腔内部和超声速主流之间质量交换率较低,混合强化能力有限;在凹腔上游设置燃料喷孔时,燃料/空气混合层不能很好的扩展。针对这种不足,本文数值研究了一种具有侧向收缩比和后掠角的三维结构壁面凹腔——"燕尾槽"在超声速燃烧室中的流动特性,并和经典二维结构凹腔进行对比。结果显示:"燕尾槽"诱导产生了一种三维的涡结构,燃烧室边界层流体被卷入到"燕尾槽"内部,沿螺旋线向外侧下游流动。在上游添加燃料射流时,发现"燕尾槽"内的燃料浓度大于二维壁面凹腔,表明这种三维的涡流动具有更好的混合强化能力