氢气射流对超声速流中燃烧模式转换与振荡抑制的作用
导读:为了在整个飞行轨迹包络线范围内保持超燃冲压发动机的高性能,需要一种实时、高效且经济的燃烧控制技术。国防科技大学团队利用中智科仪EyeiTS高速像增强模组配合高速相机研究了使用氢气射流控制超燃冲压发动机燃烧模式和抑制燃烧振荡的方法,旨在提高发动机的性能和稳定性,成果以“Combustion mode transition and oscillation suppression in supersonic flow using hydrogen jet”为题发表于期刊“ Proceedings of the Combustion Institute”。
研究背景
超燃冲压发动机需要在整个飞行轨迹中保持高效率,因此其燃烧控制技术至关重要。先前的研究报道了多种燃烧控制方法,包括机械装置、射流、激光诱导等离子体等。在这些控制方法中,基于射流的控制易于实现,并且避免了机械装置所需的热防护。
这项工作研究了使用微氢射流控制超燃冲压发动机燃烧室中燃烧的方法,乙烯作为主燃料,数据通过多种同步光学诊断和数值模拟获得。研究发现,上游的氢气射流可以高效地将原始的以腔体稳定模式为特征的燃烧方式转变为尾流模式,这大大增强了燃烧强度和燃烧室内的压力。此外,氢气射流显著减弱了沿流向的燃烧振荡。揭示了乙烯-氢燃烧的复杂流场结构,并在此基础上全面分析了基于氢气的燃烧控制机制。在上游氢气射流和下游主燃料射流之间的区域形成了高温管和回流区。这些发现对于设计未来更高效的燃烧控制技术具有重要意义。
实验装置及方法
实验装置:
实验在国防科技大学的直连式高焓风洞中进行。使用了一个空气加热器,通过C2H6O/O2/空气燃烧来产生高焓进流。实验时超声速进流的最终马赫数、滞止压力和滞止温度分别为2.52、1.63±0.02 MPa和1650±20 K。选择乙烯作为主要燃料,乙烯从J2注入,氢气射流由J1产生。
图1. (a) 进流生成器下游测试设施示意图和(b)模型燃烧室示意图
两个长宽比相较燃烧室更大的石英窗口被放置在燃烧室的两侧,覆盖了所有喷射器和燃烧室腔体,为光学诊断提供了通道。使用一台高速相机(SA-3,P),配备50mm F/1.4镜头和中心波长为430nm的10nm窄带通滤光片,用于可视化CH*化学发光。该相机被称为HC1,如图2所示,CH*成像的帧率为12,000 fps。另一台高速相机(SA-Z)与图像增强器(EyeiTS-S-HQB)、紫外镜头和中心波长为310nm的滤光片结合使用,用于可视化OH*化学发光。该相机被称为HC2,如图2所示,OH*成像系统的采集帧率为60,000 fps。通常认为,CH和OH浓度基本上分别揭示了主要反应和放热区域。高速纹影成像系统用于捕捉流场结构,第三台高速摄像机,称为HC3(SA-X2),帧率为60,000 fps。三台高速摄像机同步工作,由信号发生器控制。
图 2. 光学诊断系统(HC:高速相机)
实验结果
完整的过渡过程和运行氢气前后的时间平均CH*分布如图3所示。图3(a)的结果是基于连续的CH*图像处理得到的,展示了火焰光度的流向分布。图4展示了流场的动力学。结果表明,抑制乙烯燃烧振荡不能归因于更高的燃烧效率,因为氢气射流对增加原始燃烧强度没有影响。
图3.(a)由氢气射流触发的燃烧模式转换过程中速度方向火焰分布的变化;(b)氢气运行前后的时间平均CH*分布
图4. 乙烯燃烧尾流模式中大规模燃烧振荡的代表性周期
图5. 氢气-乙烯燃烧的反应流场
图5展示了实验中获得的光学诊断结果,在该图中给出了同一时间点纹影、OH*和CH*的代表性图像,并附有CH*和OH*快照的时间平均结果。计算得到的OH*分布与实验数据非常吻合,这再次确认了当前研究中使用的数值方法的高精度。如图5所示,纹影图像表明在氢气和乙烯射流上方出现了激波列,而几乎所有的乙烯射流下游流场都是亚声速的。
OH*的分布表明整个反应流场可以分为三个燃烧区域:火焰锋面、两个燃料射流之间的三角区以及乙烯燃料射流下游的主要燃烧区。OH*结果中值得注意的一个特征是带状火焰锋面,火焰锋面可以分为两部分。第一部分从氢气射流开始,到乙烯射流的位置结束,第二部分紧随其后。由于乙烯射流的大穿透深度,第二部分的斜率急剧增加。通过比较纹影图像和OH*分布,可以看到火焰锋面的第一部分位于超声速区域。该区域内的密集且强烈的激波导致这一部分火焰锋面的燃烧明显增强。在氢气-乙烯燃烧中,激波相对稳定,导致火焰锋面与激波之间存在一些特定的交点,这由时间平均OH*图像所示。
总结
这项工作研究了在以乙烯为燃料的超燃冲压发动机燃烧室中,氢气射流对燃烧的控制。对反应流场进行了同步光学诊断,包括OH*和CH*化学发光以及纹影成像。采用基于GPU的数值方法来重现和研究流场。根据获得的数据,在不同条件下研究了燃烧特性。
论文链接:
https://doi.org/10.1016/j.proci.2024.105361
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