后缘突扩凹腔超声速流动模式判定及火焰稳定过程研究

Recently cavity flameholders with step trailing edge commenced and were applied into scramjet combustor. Corresponding to regular cavity, this type of cavity has simpler configuration with lower loss of total pressure. For the lower Mach number it avoids the formation of thermal throat and for the higher Mach number it decreases the combustor pressure and low heat flux with an easier thermal protection. The steep expansion effects of the cavity cause difference of supersonic flow, fuel injection and mixing, supersonic combustion process with regular cavity. The project focuses on the fundamental scientific problem with a combination of theoretical analysis, numerical simulations and detailed experimental measurements. The flow pattern and its assessment principle will be given and the fuel injection mixing and the fuel mass transport process into the cavity will be revealed. The combustion characteristics of cavity shear layer and the recirculation zone under the fuel lean limit will be explored and the corresponding cavity flameholding mechanism will be revealed. Further the cavity combustion and flow mechanisms under strong heat release condition will be explored and the strategy of combustion scheme with high efficiency and low drag will be developed.

最近后缘突扩凹腔火焰稳定器在超燃冲压发动机燃烧室中开始得到应用；相对于常规凹腔，该凹腔组织燃烧的结构更加简单，流动损失更小，低马赫数条件下不易发生热壅塞，高马赫数下燃烧室压力和热流密度降低，热防护难度相应降低。凹腔后缘突扩效应使其超声速流动、燃料喷注混合以及燃烧过程与常规凹腔有显著不同，本项目拟结合精细的实验测量、数值模拟以及理论分析，给出后缘突扩凹腔超声速流动模式判定准则，揭示燃料喷注混合以及向凹腔内的质量输运过程；给出近贫燃极限条件下凹腔剪切层与回流区燃烧特征，明晰近贫燃极限条件下该凹腔的火焰稳定机制；揭示强放热状态下后缘突扩凹腔超声速燃烧流动特性，探索发展凹腔构型的高效低阻设计方法。

本项目以应用于超燃冲压发动机燃烧室中的后缘突扩型凹腔火焰稳定器为研究对象，以进一步明晰其流动模式与稳焰机理为研究目标，综合采用数值仿真、实验观测与理论建模的方法，对超声速气流中后缘突扩型凹腔的流动、混合、燃烧特性开展了研究。采用数值模拟方法研究了不同后缘突扩率凹腔构型下二维冷态流动特性，探讨了后缘突扩效应对于凹腔冷态流动特性的影响。总结了超声速气流中后缘突扩凹腔的流动模式，并建立了一个关联凹腔内外流动物理量参数的剪切层增长率数学模型。结合实验与数值模拟手段研究了后缘突扩型凹腔上游喷注燃料的燃烧特性。提出了一个关于后缘突扩凹腔火焰稳定性的几何极限概念，阐释了凹腔几何构型量变引起凹腔稳焰性能质变的物理机制。进一步分析了凹腔后缘高度对凹腔稳定的火焰结构的影响。通过改变凹腔构型与全局当量比发现了后缘突扩凹腔燃烧流场的三种稳燃模式。包括凹腔剪切层稳燃模式，扩张回流区/抬升剪切层稳燃模式与凹腔辅助的射流尾迹稳燃模式。基于实验现象与数值模拟结果建立了后缘突扩型凹腔的火焰稳定边界模型。接着本文对超声速后缘突扩凹腔燃烧室中的强迫点火过程开展了试验研究。提出了利于强化点火的优化凹腔上游并联式燃料喷注方案以及优化凹腔后缘点火位置，分析了凹腔构型对点火过程的影响，辨析了初始火焰的三维传播路径及点火过程中热环境和化学环境的相互作用机制。总结归纳了强迫点火过程中的特征现象并归纳为四个阶段，分别为等离子体点火阶段、等离子体猝熄阶段、再点火阶段和稳定火焰阶段。同时揭示了普遍存在的两种点火模式及其机理，即点火过程在凹腔回流区辅助下完成的弱点火模式，以及点火过程由强烈初始火焰主导的强点火模式，在弱点火模式和强点火模式之间还普遍存在过渡点火过程。基于采用乙烯复杂化学反应机理条件下开展的点火过程数值仿真结果，发现在强迫点火源作用过程中，诱导产生的活化基团相比于高温热环境将发挥更为主导的点火强化作用。