高焓超声速气流中自点火与火焰传播竞争的稳焰过程研究

The flow in scramjet combustor has the characteristics of both high speed and high enthalpy, the autoignition characteristic time in supersonic flow with precombustion shock waves and local recirculation zones may have the same magnitude of the flow, and autoignition competes with flame propagation may directly affect the flameholding process. Under typical condition, the competition may result in intense combustion instabilities which is similar to the Knock problem in spark-ignition internal combustion engine. Due to the complexity of this problem, the experimental investigation of supersonic combustion was conducted little for a long time, modeling and simulations were limited to the form of finite rate chemical reaction or diffusion flame, the request of broad Mach number robustness in engine combustor has protruded the importance and urgency of the research. This project focuses on this fundamental scientific problem will utilize the theoretical analysis, numerical simulations and experiments to investigate the competition mechanism and dominant factors of autoignition and flame propagation, and study the flameholding mechanism under the competition of autoignition and flame propagation, finally develop flameholding blowout limit prediction model and mathematical physics model that could be applied to numerical simulations.

超燃冲压发动机燃烧室气流兼具高速和高焓的特点，在具有预燃激波串、局部回流区的超声速流场中自点火特征时间可能与流动相比拟，并与火焰传播形成竞争而直接影响火焰稳定过程，在典型条件下还可能导致燃烧不稳定，造成类似于内燃机"敲缸"的问题。由于该问题的复杂性，长期以来实验开展较少，超声速燃烧建模与仿真局限于以有限速率化学反应或者扩散火焰形式的计算，当前超燃发动机燃烧室宽范围燃烧鲁棒性的要求凸显出该问题研究的迫切性。本项目围绕该问题，拟综合理论分析、数值模拟与实验，探讨自点火与火焰传播的竞争机制和主导因素，研究自点火与火焰传播竞争条件下的凹腔火焰稳定过程，发展宽范围适用的凹腔火焰稳定预估分析模型及应用于数值仿真的数学物理模型。

本文研究了高焓超声速气流中自点火和火焰传播竞争下的火焰稳定过程。.首先分析了凹腔上游横向喷注的流场结构和混合特性并研究了高焓条件下的火焰稳定模式。在当前条件下，增加喷注距离与动压比均能有效改善凹腔内燃料当量比分布。增加喷注当量比，火焰从凹腔稳定模式转变为射流尾迹稳定模式。三孔并行喷注时，喷注距离减小会增强火焰强度，并减小模式转变的临界当量比；单孔喷注时，燃烧模式的改变受到凹腔处的当量比分布及射流与凹腔间相互作用的影响。.提出了“三反应区”机制，燃烧区域识别为凹腔反应区、覆盖凹腔的射流反应区和凹腔上游的射流尾迹反应区。凹腔反应区中的燃料当量比分布为凹腔中火焰稳定的主导因素；射流与凹腔的相互作用为覆盖凹腔的射流区域能否被点燃的主导因素；凹腔上游的射流尾迹流动参数为射流尾迹中火焰稳定的主导因素。.研究了高焓条件下的自点火效应，发现自点火能形成初始火核，且在射流尾迹火焰“熄火-重燃”过程中能形成射流尾迹内的独立新火焰，诱发射流尾迹火焰的“重燃”过程。随着温度升高，自点火效应近似幂指数形式增强。静温1000K以上时，自点火效应将开始影响火焰稳定模式；随静温继续上升，自点火效应将逐渐占据主导。.射流尾迹模式的部分预混氢气火焰中，扩散火焰主要分布于射流火焰的边界，富燃预混火焰主要分布于射流尾迹近壁面和射流内部，贫燃预混火焰少量位于射流背风区环状涡结构下部和凹腔内。在当前条件下，自点火主要集中在射流迎风剪切层内及近壁面的射流尾迹贫燃区域，起到稳定火焰基底的作用，而射流尾迹内主体火焰仍是火焰传播占据主导。.结合混合分数、反应进度和温度，建立了层流化学反应数据库并完成了数据库验证。采用化学非平衡查表计算法模拟自点火延迟时间和二维及三维部分预混火焰，验证了计算模型的可行性。部分预混火焰高温区强非线性特征增加了精确模拟难度，而自点火延迟时间模拟精度高。通过数值验证发现化学非平衡查表计算法有效提高了计算效率。