燃烧对凹腔火焰稳定器流动特征影响的机理研究

采用PLIF、PIV和连续激光纹影等观测手段和高精度RANS/LES相结合的数值模拟方法，研究凹腔火焰稳定器流动特征随燃烧室内燃烧流动状态的变化。主要对比燃烧室内从冷流至不同燃烧强度条件下凹腔上游来流条件、凹腔振荡频率、自由剪切层发展规律和内部回流结构的变化趋势；分析主流燃烧放热、凹腔内放热和凹腔内燃气流动与凹腔流场结构的关系；探索凹腔火焰稳定器在超声速、跨声速和亚声速下流动特征的变化趋势，明晰燃烧引起的来流条件变化和放热导致的凹腔流场畸变对凹腔火焰稳定器流动特征的影响机制；揭示燃烧引起凹腔振荡特性变化的机理，并建立凹腔热/声/涡共振模型；为基于凹腔火焰稳定器构型的超燃冲压发动机燃烧室设计提供指导，为揭示凹腔火焰稳定机理和认识超声速流中湍流扩散燃烧奠定基础。

本文以带凹腔火焰稳定器的超声速燃烧室为研究对象，采用PLIF、PIV和连续激光纹影等观测手段和高精度RANS/LES相结合的数值模拟方法，研究了凹腔火焰稳定器流动特征随燃烧室内燃烧流动状态的变化。首先，通过对比凹腔冷流流场结构和凹腔燃烧流场结构，研究了冷流至燃烧过程中凹腔流场的变化规律。研究发现随着喷注压力的提高或凹腔后缘倾角的增大，射流附近亚声速区域的展向尺度增大，射流被点燃的位置提前，凹腔回流区扩大并在中心平面附近更加深入主流区域；此外，后缘倾角较大的凹腔在没有引起更大的总压损失的前提下获得了更高的燃烧效率。另一方面研究了凹腔内超声速流动的冷/热态振荡特征，分析了其振荡机制。对二维射流－凹腔燃烧振荡的大涡模拟表明，可能存在两种振荡机制：一种是与凹腔-剪切层耦合不稳定性相关的高频振荡，另一种是与低频不稳定燃烧相关的低频振荡。三维大涡模拟结果揭示出了高频燃烧振荡的两种主导机制。燃烧振荡存在两种可能的主导机制：一种是从凹腔剪切层到主流的非定常火焰传播过程，该过程主要受到射流－凹腔剪切层相互作用的影响，并导致一些与凹腔－剪切层振荡相应的、相对低频的振荡；另一种是伴随着射流边界发卡涡形成而产生的可燃气团的自点火过程，且往往导致一些与射流不稳定性相应的、相对较高频率的振荡。由于课题难度过大，涉及的问题都非常机理，本课题只解析燃烧放热后凹腔火焰稳定器火焰稳定的部分机理，许多问题还有待下一步深入。