近熄火条件下的超声速稳焰凹腔燃烧流动特性研究

Cavity flameholders have been extensively adopted to stabilize and organize combustion in supersonic flows due to their high efficiency and low loss. Though a number of efforts have been dedicated to the flameholding cavity, an effective theoretical model for cavity flame holding or blowout is still unavailable, and the design of cavity flameholders is still lack of reliable rules. An important reason for this is that the mechanisms for the flame holding or blowout are not well understood and the combustion and flow characteristics of the supersonic flameholding cavity near blowout limits are unclear. The present study investigates characteristics of the supersonic cavity near blowout limits, using experimental measurement, high-resolution numerical simulation and theoretical analysis. The project tries to obtain the following achievements: clarifying the thermodynamics and fluid dynamics characteristics of the cavity shear layer and recirculation region near blowout limits, uncovering the mechanisms of the cavity flame holding and blowout, developing a theoretical model for predicting the cavity flame blowout limits. These achievements are expected to provide theoretical guidelines for the design of cavity flameholders and for the closed-loop control of combustion in scramjet combustors.

凹腔作为一种高效、低阻的火焰稳定器，被广泛应用于超声速气流中的燃烧稳定和组织。虽然针对超声速气流中的稳焰凹腔已开展了大量研究，但目前仍未建立有效的凹腔火焰稳定或吹熄理论模型，凹腔的设计也缺乏可靠的准则；其中一个重要原因就是未明晰凹腔火焰的稳定或吹熄机制，对近熄火状态下凹腔的燃烧流动特性缺乏清晰的认识。本项目拟采用先进的实验观测、高精度数值模拟及理论分析相结合的手段，研究超声速气流中稳焰凹腔的近熄火状态，明晰近熄火条件下的凹腔剪切层及回流区热力学与流体动力学特性，揭示凹腔火焰稳定机制及吹熄主导机制，发展可预测凹腔火焰吹熄极限的理论模型。研究成果将为稳焰凹腔的设计和燃烧的闭环控制提供理论指导。

利用实验、计算和理论分析相结合的手段对近熄火状态下凹腔的燃烧流动特性进行了研究，主要分析了近熄火条件下的凹腔剪切层及回流区热力学与流体动力学特性，揭示了凹腔火焰稳定机制及吹熄主导机制，发展了可预测凹腔火焰吹熄极限的理论模型。..发展了分析凹腔剪切层卷吸过程的被动标量法，进而对凹腔剪切层的增长和卷吸特性进行了研究，考虑了来流马赫数和凹腔构型影响。研究发现，凹腔剪切层的稳定性和增长率强烈依赖于可压缩效应，这与自由剪切层中观察到的类似。然而，在低超声速条件下凹腔剪切层的增长率明显高于自由剪切层增长率而且随着可压缩性增加更加迅速地减小。具有较大长深比和较大后缘倾角的凹腔，其剪切层增大率似乎更高一些。自由流体卷吸进入凹腔回流区的过程在很大程度上由剪切层与凹腔后壁之间的相互作用决定。相同马赫数下，凹腔剪切层的质量流卷吸比低于自由剪切层卷吸比，在本项目研究条件下分布于0.6到1.7之间。..改变自由流的当量比以分别获得稳定燃烧、近吹熄火焰和凹腔火焰熄火等工况。讨论了不同条件下的流动和反应结构，并对超声速气流中的近吹熄火焰行为和凹腔火焰的吹熄过程进行了描述。发现吹熄以多步骤的方式发生——凹腔剪切层和回流区（RZ）主涡（PE）中的局部熄火，PE及其相邻剪切层的完全熄火，RZ之次级涡流（SE）中的局部熄火，和最终的吹熄。在某些条件下，凹腔火焰可以持续一定水平的局部/间歇熄火，此后SE中的残余火焰可以重新点燃整个火焰。..针对凹腔剪切层发展和燃料射流喷注与混合建立了较为详细的模型，进而建立了凹腔上游喷注燃料的火焰吹熄极限预估模型，在此基础上初步发展了凹腔火焰稳定器设计方法。研究成果将为稳焰凹腔的设计和优化提供理论指导。