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碳氢燃料超声速燃烧室火焰稳定机制研究

宋文艳 石德永 王宇航

宋文艳, 石德永, 王宇航. 碳氢燃料超声速燃烧室火焰稳定机制研究[J]. 实验流体力学, 2018, 32(3): 42-49. doi: 10.11729/syltlx20180017
引用本文: 宋文艳, 石德永, 王宇航. 碳氢燃料超声速燃烧室火焰稳定机制研究[J]. 实验流体力学, 2018, 32(3): 42-49. doi: 10.11729/syltlx20180017
Song Wenyan, Shi Deyong, Wang Yuhang. Investigation of the flame stabilization mechanism of the hydrocarbon fuel in the supersonic combustor[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2018, 32(3): 42-49. doi: 10.11729/syltlx20180017
Citation: Song Wenyan, Shi Deyong, Wang Yuhang. Investigation of the flame stabilization mechanism of the hydrocarbon fuel in the supersonic combustor[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2018, 32(3): 42-49. doi: 10.11729/syltlx20180017

碳氢燃料超声速燃烧室火焰稳定机制研究

doi: 10.11729/syltlx20180017
详细信息
    作者简介:

    宋文艳(1967-), 女, 天津人, 博士, 教授。研究方向:超声速燃烧机理研究及流场光学测量技术。通信地址:陕西省西安市长安区东祥路1号西北工业大学长安校区动力与能源学院(710072)。E-mail:wenyan_song@nwpu.edu.cn

    通讯作者:

    宋文艳, E-mail:wenyan_song@nwpu.edu.cn

  • 中图分类号: V235.21

Investigation of the flame stabilization mechanism of the hydrocarbon fuel in the supersonic combustor

  • 摘要: 在来流总温1085K、进口马赫数2.0下开展了煤油燃料超声速燃烧试验,使用高速摄像观测了火焰的形态和结构,采用平面激光诱导荧光技术(PLIF)观测了煤油和OH的分布,结合数值模拟结果分析了燃烧室的火焰稳定机制。测量结果显示:燃烧反应主要发生在射流的下游区域和凹槽区域内,随着燃料当量比的增加,火焰传播角度及火焰向主流的穿透高度增加。数值模拟结果与实验测量吻合较好。火焰稳定机制分析显示:液态煤油喷入燃烧室内,主要分布在下壁面附近的流场中,燃烧产生的高温燃烧产物通过凹槽剪切层与回流区之间的相互作用,进入凹槽并为剪切层中的空气-煤油混合气体提供稳定的热量和中间产物,使得火焰基底能够稳定在剪切层内,并以相对固定的角度向主流流场中传播。
  • 图  1  甲烷燃烧加热直连式燃烧室试验系统示意图

    Figure  1.  Schematic of the methane heater direct connected combustor test system

    图  2  双模态单凹槽超声速燃烧室试验模型示意图

    Figure  2.  Schematic of the dual-mode cavity-based supersonic combustor model

    图  3  PILF测量原理示意图

    Figure  3.  Schematic of the PLIF measurement system

    图  4  PLIF光学诊断系统照片

    Figure  4.  Photo of the PLIF measurement system

    图  5  ERk=0.33时的瞬时kerosene-PLIF图像

    Figure  5.  Instantaneous kerosene-PLIF images at ERk=0.33

    图  6  ERk=0.33时的瞬时OH & kerosene-PLIF图像

    Figure  6.  Instantaneous OH & kerosene-PLIF images at ERk=0.33

    图  7  平均kerosene-PLIF图像

    Figure  7.  Time-averaged kerosene-PLIF images

    图  8  平均OH & kerosene-PLIF图像

    Figure  8.  Time-averaged OH & kerosene-PLIF images

    图  9  平均燃烧可见光图像

    Figure  9.  Time-averaged combustion luminosity images

    图  10  燃烧室壁面压力计算值与试验值对比

    Figure  10.  Comparisons of the wall pressure distributions between calculation and experiment

    图  11  ERk=0.33时燃烧室中心截面静温云图

    Figure  11.  Static pressure contour at spanwise centerline of the combustor in the case of ERk=0.33

    图  12  ERk=0.33时燃烧室中心截面煤油摩尔分数云图

    Figure  12.  Kerosene mole fraction contour at spanwise centerline of the combustor in the case of ERk=0.33

    图  13  ERk=0.33时燃烧室中心截面OH摩尔分数云图

    Figure  13.  OH mole fraction contour at spanwise centerline of the combustor in the case of ERk=0.33

    图  14  ERk=0.33时燃烧室中心截面流线图

    Figure  14.  Streamline at spanwise centerline of the combustor in the case of ERk=0.33

    图  15  不同工作状态的燃烧室流线图

    Figure  15.  Streamline at spanwise centerline of the combustor under different test conditions

    图  16  燃烧室中心截面流线与燃烧可见光叠加

    Figure  16.  Combinations of the streamline and combustion luminosity at spanwise centerline of the combustor

    图  17  燃烧室中心截面流线与平均PLIF荧光图像(ERk=0.18)

    Figure  17.  Combinations of the streamline and PLIF at spanwise centerline of the combustor in the case of ERk=0.18

    图  18  燃烧室中心截面流线与平均PLIF图像(ERk=0.33)

    Figure  18.  Combinations of the streamline and PLIF at spanwise centerline of the combustor in the case of ERk=0.33

    图  19  燃烧室中心截面流线与平均PLIF图像(ERk=0.41)

    Figure  19.  Combinations of the streamline and PLIF at spanwise centerline of the combustor in the case of ERk=0.41

    图  20  火焰稳定机制示意图

    Figure  20.  Schematic of flameholding mechanisms

    表  1  实验状态

    Table  1.   Test conditions

    燃烧室进口参数 燃料供应参数
    总温
    Tin*/K
    总压
    pin*/MPa
    先锋氢气当量比
    ERH
    煤油当量比
    ERk
    0.065 0.18
    1085±20 1.05±0.03 0.065 0.33
    0.065 0.41
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-02-01
  • 修回日期:  2018-04-25
  • 刊出日期:  2018-06-25

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    《实验流体力学》编辑部

    2021年8月13日