甲烷-液氧超临界压力非预混湍流燃烧的数值模拟.pdf

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1、航空学报JuI．252016V01．37No．72132．2143ActaAeronauticaetAstronauticaSinicalSSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：／yhkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn甲烷一液氧超临界压力非预混湍流燃烧的数值模拟汪秋笑，黄东欣，孟华*浙江大学航空航天学院，杭州310027摘要：基于雷诺平均Navie卜Stokes(RANS)方法和火焰面一反应进度变量湍流燃烧模型，在准确考虑热物性变化和详细化学反应机理的基础上，建立了适用于超临界压力非预混

2、湍流燃烧的数值模型，开展了甲烷一液氧(L0，)超临界压力同轴喷射非预混湍流燃烧过程的数值模拟研究，着重探讨了推进剂混合比分别为1和3情况下超临界工作压力(6～15MPa)对甲烷一液氧非预混湍流燃烧过程的影响。结果表明：不同混合比情况下压力对火焰温度和结构的影响会有显著的不同。在推进剂混合比为1时，随着压力的升高，火焰变得更长，且火焰温度升高；而在推进剂混合比为3时，随着压力的升高，火焰长度则会变短。在超临界压力下，火焰沿径向有突然的扩张现象(特别是在6MPa压力下)。这主要与液氧物性在拟临界温度附近的突变所造成的拟沸腾现象有关，也

3、会受到液氧喷射动量变化的影响。关键词：非预混火焰；湍流燃烧；超临界压力；火焰面反应进度变量；混合比中图分类号：V511+．1文献标识码：A文章编号：1000一6893(2016)07—2132—12提高燃烧压力是改善航空航天动力系统热效率和综合性能的一种有效手段，因此大推力液体火箭发动机一般都处于高压燃烧状态，其燃烧室内的压力往往超过了推进剂(包括燃料和氧化剂)的临界压力，形成超临界压力湍流燃烧现象[1。4]。与低压燃烧现象相比，超临界压力湍流燃烧过程中的燃油喷射、混合以及燃烧过程都会有显著的不同。在低压条件下，燃油的雾化及油滴的

4、蒸发现象对整个湍流燃烧过程起着非常重要的作用；但在超临界压力下，由于表面张力消失，油滴基本不易形成，推进剂之间也不存在两相交界面，因此推进剂之间的湍流混合过程对整个湍流燃烧起着非常关键的作用，而且在这一过程中往往伴随着强烈的热物性变化[2。4]。为了深入了解与液体火箭发动机相关的超临界压力非预混燃烧现象，国内外已开展了一些实验和数值模拟研究，主要针对气氢一液氧(LQ)和甲烷一液氧(Lq)火箭发动机[1。4]。甲烷一液氧火箭发动机由于具有成本低、性能好、维护方便、可重复使用等优点，被认为是极具发展潜力的下一代可重复使用航天动力系统，

5、其研发工作近年来得到了很大的重视[5’6]。Pons等[7]对跨临界甲烷一液氧层流对冲火焰进行了数值计算研究，发现在跨临界氧和超临界甲烷的情况下，火焰位于靠近液氧且密度梯度较大的低密度气体区；而在跨临界氧和跨临界甲烷的情况下，火焰则位于液氧和甲烷之间的低密度气体区。Wang等‘80对超临界压力下的甲烷一液氧和气氢一液氧的层流对冲火焰开展了数值模拟研究，发现压力的增加会显著影响层流火焰的位置。Sin91a等[9]对单喷嘴同轴射流燃烧室中甲烷一液氧的超临界压力湍流燃烧过程开展了基础实验研究，发现甲烷射流速度的增加会导致火焰扩张角度减收

6、稿日期：2015—07—08；退修日期：2015-08—05；录用日期：2015—10．15；网络出版时间：2015—11．0214：32网络出版地址：www．cn¨net／kcms／detail／11．1929v201511021432004．html基金项目：国家自然科学基金(11372277)*通讯作者．Tel：0571—87952990E-mail：menghua@zjuedu．cn§

7、角榕武

8、汪秋笑．黄东欣，孟华．甲烷一液氧超临界压力非预混湍流燃烧的数值模拟!JI。航空学报．2016．37(7)：2132．2143jwA

9、NGQx，HUANGDX·MENGH．Numer

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17、ca{pressures!J]ActaAeronautIcaetAstronauttcas{nica．2016．37(7)：2132—2143，汪秋笑，等：甲烷一液氧超临界压力非预混湍流燃烧的数值模拟小和火焰长度变短。Kim等[1叩对超临界压力下甲烷一液氧的非预混湍流燃烧过程进行了数值模拟研究，初步探讨了液氧入口温度和燃烧室压力的变化对燃烧过程的影响。Z

18、ong和Yang[11]则对超临界压力下甲烷一液氧的非预混湍流燃烧过程开展了大涡模拟研究，着重关注了喷嘴附近的湍流混合、燃烧及火焰稳定现象。尽管国内外在超临界压力甲烷一液氧非预混湍流燃烧方面已开展了一些初步的研发工作，但研究内容还不够系统和全面，需