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矩形截面超燃发动机不同燃烧模态下的流场特征

何粲 邢建文 肖保国 邓维鑫 刘伟雄

何粲, 邢建文, 肖保国, 等. 矩形截面超燃发动机不同燃烧模态下的流场特征[J]. 实验流体力学, 2018, 32(4): 12-19. doi: 10.11729/syltlx20180022
引用本文: 何粲, 邢建文, 肖保国, 等. 矩形截面超燃发动机不同燃烧模态下的流场特征[J]. 实验流体力学, 2018, 32(4): 12-19. doi: 10.11729/syltlx20180022
He Can, Xing Jianwen, Xiao Baoguo, et al. Investigation on flow field characteristics of a rectangular scramjet in different combustion modes[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2018, 32(4): 12-19. doi: 10.11729/syltlx20180022
Citation: He Can, Xing Jianwen, Xiao Baoguo, et al. Investigation on flow field characteristics of a rectangular scramjet in different combustion modes[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2018, 32(4): 12-19. doi: 10.11729/syltlx20180022

矩形截面超燃发动机不同燃烧模态下的流场特征

doi: 10.11729/syltlx20180022
基金项目: 

国家自然科学基金 51676204

详细信息
    作者简介:

    何粲(1992-), 女, 研究实习员。研究方向:吸气式高超声速推进技术。通信地址:四川省绵阳市二环路南段6号(621000)。E-mail: hecan316@163.com

    通讯作者:

    何粲, E-mail: hecan316@163.com

  • 中图分类号: V231.3

Investigation on flow field characteristics of a rectangular scramjet in different combustion modes

  • 摘要: 为研究乙烯燃料矩形截面超燃冲压发动机不同燃烧模态下的流动特性,在直连式试验的基础上对冷流和不同当量比的4个状态进行了三维定常数值模拟,比较了试验和计算结果,选择了适用于本构型的模态判别准则,给出了流道内壁面压力、一维平均马赫数的沿程分布规律,分析了各状态下流场中波系结构、流动分离及燃烧的特征。研究结果表明:采用AHL3D对该发动机进行三维计算所得壁面压力与试验壁压吻合良好,试验与计算具有较好的一致性;未注油的冷态情况下流道内形成由多道斜激波与膨胀波组成的反射波系,壁面压力波动较大,波系分布主要受流道结构影响;纯超燃模态时,燃料喷射与主流相互作用使注油位处形成明显激波,压升起点固定在注油位之后,注油位波系对流场结构的影响较大,同时分离结构分布在整个凹槽内;双模态超燃时,流道内主导波系是激波诱导边界层分离形成的斜激波串结构,燃烧室内波系较弱,此时隔离段内激波串前缘后的角区出现分离,凹槽内分离区域减小;双模态亚燃时,随着逆压梯度激波串的前移,隔离段内角区的分离面积不断扩大,凹槽内分离区进一步缩小。发动机处于双模态超燃或双模态亚燃模态时,随着激波串结构的形成与前移,部分燃烧可能在隔离段内完成;而对于纯超燃模态,燃烧仅发生在凹槽与扩张段内,化学反应与高温区的分布相对更集中。
  • 图  1  CARDC矩形截面超燃冲压发动机模型

    Figure  1.  CARDC's rectangular scramjet model

    图  2  模型计算网格

    Figure  2.  Mesh topology of the scramjet model

    图  3  试验与计算壁压对比

    Figure  3.  Comparison of computaional and experimental sidewall pressures

    图  4  质量平均马赫数沿程分布

    Figure  4.  One-dimensional mass average Ma for four cases

    图  5  不同状态下发动机对称面马赫数及速度梯度云图

    Figure  5.  Centerline planes of Ma overlaid with ∇·V

    图  6  不同状态下发动机内Ma=1等值面及分离区示意图

    Figure  6.  Isosurfaces of Ma=1 and u=-0.001m/s for different cases

    图  7  不同模态下流道内静温分布

    Figure  7.  Distributions of temperature along the flowpath for different modes

    图  8  不同模态下流道内质量平均静温与二氧化碳沿程分布

    Figure  8.  Distributions of the mass average temperature and CO2 along the flowpath for different modes

    图  9  不同模态下流道内CO2分布

    Figure  9.  Distributions of CO2 along the flowpath for different modes

    图  10  Case2状态下流道内总温、二氧化碳及流线的局部分布

    Figure  10.  Distributions of the total temperature、CO2 and streamline along the flowpath for Case2

    表  1  试验来流条件

    Table  1.   Experimental inflow conditions

    Ma Tt/K pt/MPa γ
    Air 2.05 937 0.8 1.369
    C2H4 1.00 300
    下载: 导出CSV

    表  2  研究状态

    Table  2.   Research cases

    名称 Cold Case1 Case2 Case3
    当量比 0 0.12 0.20 0.31
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-02-28
  • 修回日期:  2018-09-12
  • 刊出日期:  2018-08-25

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    《实验流体力学》编辑部

    2021年8月13日