流动参数对超临界喷射特性影响的数值模拟

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstrOnauticaSinicaMay252013Vol34No51018—1027ISSN1000—6893CN11，1929／Vhttp：#hkxb．buaaedu．cahkxb@buaa．educn流动参数对超临界喷射特性影响的数值模拟范珍涔，范玮+西北工业大学动力与能源学院，陕西西安710072摘要：目前航空发动机燃烧室雾化系统设计主要是针对亚临界喷射的，但高性能要求使得未来飞行器发动机的燃料喷射系统会以跨临界／超临界喷射为主。基于此，对液态碳氢燃料的超临界喷

2、射特性进行了研究。首先选取了适合超临界流体物性参数特点的计算和求解方法，建立了超临界喷射特性计算的数学模型；然后采用该模型对JetA燃料喷射到N。环境中的喷射过程进行了数值计算研究，并通过与已有的实验结果进行对比验证了模型的正确性；最后对流动参数对于超临界喷射特性的影响进行了数值模拟，得到了喷射长度和喷射扩张角与流动参数之间的关系。关键词：航空发动机；超临界喷射；液态碳氢燃料；数值模拟；喷射特性；流动参数中图分类号：V231．2文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)05—1018—10在未来的高性

3、能航空发动机中，作为燃料的航空煤油是最主要和最直接的冷却介质口J。一方面由于发动机的这种冷却需求使得航空煤油在喷射到燃烧室之前温度就有可能超过了自身的临界温度。另一方面，由于未来高性能发动机的高推重比要求，使得燃烧室内的压力和温度都有可能超过煤油的临界点。这些特点使得未来航空发动机燃烧室燃油喷射主要存在3种形式：亚临界喷射、跨临界喷射及超临界喷射。亚临界喷射指的是亚临界状态(对于发动机来说是液态)的燃油喷射到亚临界的环境中。跨临界喷射存在两种情况：一是超临界态燃油喷射到亚临界的环境中；二是液态燃油喷射到超临界的环

4、境中。超临界喷射则是指超临界状态的燃油喷射到超临界环境中。超临界状态下的航空煤油兼具气体的低黏度和液体的高密度以及介于气体和液体之间的高扩散系数等特征。由于超临界航空煤油的这些热力学和输运特性的特点，使得超临界喷射与气态喷射类似，但在喷射特性上又有着明显的差异。液态碳氢燃料的超临界／跨临界喷射研究虽然已经在国内外广泛开展多年，但由于超临界航空煤油物性复杂性和进行实验的难度很大，至今未能构建出系统的理论框架。由于航空煤油超临界／跨临界喷射理论的不完善性和未来高性能航空发动机燃烧室研究的需求，本文针对超临界航空煤油喷

5、射现象展开研究显得尤为必要，而超临界喷射基本喷射机理的研究首当其冲。国内外学者关于超临界碳氢燃料的喷射已经进行了一些研究并且得到了一些研究成果阳。8]。Wu等心。31对超临界乙烯喷射到静止的亚临界氮气环境的现象进行了实验研究，关注点是在临界点附近输运参数变化对激波结构的影响。许多现有研究都表明跨临界／超临界喷射与密度可变气体(密度随着温度和压力会有明显改变的气体)的喷射非常相似。Chehroudi等。41最先对跨临界喷射(亚临界流体喷射到超临界环境中)和变密度气收稿日期：2012—06—18；退修日期：2012，

6、07—08i录用日期：2012一08—26；网络出版时间：2012—09—1311：48网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／111929V201209131148011．html基金项目：国家自然科学基金(50976094)*通讯作者Tel：029—88492748E-mail：weifan419@nwpueduC13引用格武：FanZC，Fanw，Numericalsimulationoneffectsofflowparametersonsupercriticalinjectioncha

7、racteristics．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2013。34(5)：1018—1027。范珍涔．范玮流动参数对超临界喷射特性影响的数值模拟．航空学报．2813，34(5)：1018一{827．范珍涔等：流动参数对超临界喷射特性影响的数值模拟体喷射的喷射扩张角进行了对比实验研究。Barata等口1利用可变密度喷射数值模型对实验数据进行了验证计算，得到了较好的吻合。Chen和Sui[63进行了SF。喷射到静止N。和C02高压环境的实验研究，大部分实验都是在SF。非常

8、接近临界点的情况下进行的。Chen”1研究发现超临界喷射的射流穿透长度的主要影响因素是喷射温度和腔室的压力。Doungthip等¨3通过实验观测到超临界喷射长度和喷射扩张角随着喷射流量和温度的改变而改变。上述这些研究中，绝大部分都是以小分子、单组分的气态燃料为对象，使用实际液态碳氢燃料的极少；同时大部分研究都是针对跨临界喷射，对于超临界流体喷射到超临界环境中的研究很少。本