沖壓發(fā)動機(jī)燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象及其機(jī)理

沖壓發(fā)動機(jī)燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象目錄1推進(jìn)系統(tǒng)中的燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象2沖壓發(fā)動機(jī)中的燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象及機(jī)理2.1熱聲不穩(wěn)定機(jī)理2.2亞聲速燃燒不穩(wěn)定2.3超聲速燃燒不穩(wěn)定1推進(jìn)系統(tǒng)中的燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象各種形式推進(jìn)系統(tǒng)中，在不穩(wěn)定熱釋放和流動相互耦合作用下產(chǎn)生的燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象普遍存在，其常表現(xiàn)為震蕩燃燒的形式。20世紀(jì)40年代，火箭發(fā)動機(jī)剛興起時(shí)，幾乎都同時(shí)性出現(xiàn)了燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象。阿波羅計(jì)劃中對燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象進(jìn)行了大量研究。F-1火箭發(fā)動機(jī)初始設(shè)計(jì)方案的44次試驗(yàn)，發(fā)生了20次燃燒不穩(wěn)定，最大振幅甚至達(dá)到室壓100%，這種低頻大幅震蕩，不僅嚴(yán)重影響發(fā)動機(jī)性能，還具有很大破壞性。1推進(jìn)系統(tǒng)中的燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象對于航空發(fā)動機(jī)，自20世紀(jì)中期加力燃燒室在發(fā)動機(jī)中出現(xiàn)之后，其內(nèi)部的大幅度燃燒脈動問題就一直是工程師在設(shè)計(jì)階段或者是投入使用暴露出問題之后需要用各種方式加以解決的問題。1推進(jìn)系統(tǒng)中的燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象20世紀(jì)70年代末期，大多數(shù)彈用的液體沖壓發(fā)動機(jī)采用突擴(kuò)型的燃燒室，而火焰穩(wěn)定器位于突擴(kuò)段的回流區(qū)內(nèi)。當(dāng)時(shí)，部分的沖壓發(fā)動機(jī)在地面試車階段，就檢測到了高幅度的壓力脈動。其頻率分布從幾十到幾千赫茲。研究得出，在50-500Hz范圍內(nèi)的壓力脈動，其均方根達(dá)到了燃燒室平均壓力的20%以上。2.1熱聲不穩(wěn)定機(jī)理與燃燒不穩(wěn)定同機(jī)理的熱聲現(xiàn)象從18世紀(jì)就開始被人們所關(guān)注了。后來，Rayleigh仔細(xì)的研究了這種現(xiàn)象。1878年，Rayleigh首先通過聲波和熱釋放的相互作用闡述了熱聲不穩(wěn)定的機(jī)理，并且得到一個(gè)后來被廣泛應(yīng)用的準(zhǔn)則，被稱作“Rayleigh準(zhǔn)則”，其可以用一個(gè)簡介的積分式子表達(dá)：2.1熱聲不穩(wěn)定機(jī)理式中Q‘為不穩(wěn)定熱釋放率，p’為壓力波動量，T為二者波動周期。這個(gè)積分式子描述了Q‘和p’的相互耦合關(guān)系，其正負(fù)決定了一個(gè)系統(tǒng)是否發(fā)生熱聲不穩(wěn)定現(xiàn)象：如果Q‘和p’的相位差小于90°，則此積分為正，那么壓力波動p‘就受到Q’的激勵(lì)，而反過來p‘本身又是不穩(wěn)定熱釋放Q’的一個(gè)來源，從而這種不穩(wěn)定振蕩就會放大下去，而如果二者相位差大于90°，積分為負(fù)，則聲波會反過來加強(qiáng)不穩(wěn)定熱釋放，而聲波本身振蕩會減弱。2.1熱聲不穩(wěn)定機(jī)理Rayleigh準(zhǔn)則給出了聲波和不穩(wěn)定熱量之間的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，然而，這僅是一個(gè)必要條件。另外一個(gè)方面，對于如圖所示的這樣一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)而言，除了熱源釋放這一部分輸入的能量之外，此外還有通過端口的聲輻射、通過流體的對流、壁面的粘性損失以及熱傳導(dǎo)而損失掉的能量。因此，即使是Q'和p'滿足了Rayleigh的這個(gè)能量轉(zhuǎn)換的相位關(guān)系，如果這個(gè)系統(tǒng)通過不穩(wěn)定的熱釋放獲得的能量多于通過端口輻射、熱量損失以及粘性耗散等等效應(yīng)而損失能量的話，這種聲波振蕩才可以得到放大、增長以致達(dá)到飽和。相反，如果耗散的能量多過于獲得的能量，那么這種不穩(wěn)定振蕩就不會建立起來。2.1熱聲不穩(wěn)定機(jī)理實(shí)際上，上述過程都是在線性理論的范疇內(nèi)討論的。而通過對線化方程的分析求解，我們可以得到不穩(wěn)定發(fā)生的條件、以及頻率、模態(tài)等。然而，線性小振幅在實(shí)際自然界當(dāng)中是不存在的。因此，線性分析不能得到系統(tǒng)的實(shí)際耗散行為、系統(tǒng)的最終飽和振幅。比如，在一個(gè)實(shí)際的熱聲系統(tǒng)里面，可能存在這樣一個(gè)值A(chǔ)t，當(dāng)系統(tǒng)振幅小于At的時(shí)候，那么是穩(wěn)定的，只有當(dāng)振幅超過At的時(shí)候，不穩(wěn)定才會被觸發(fā)。而必須通過對描述該系統(tǒng)非線性方程的分析求解，才能夠最終得到飽和振幅等一些更接近實(shí)際的參數(shù)。2.2亞聲速燃燒不穩(wěn)定通過進(jìn)行大量試驗(yàn)觀察，一般認(rèn)為,存在于燃燒室的火焰中心區(qū)域的大尺度旋渦結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定熱釋放是造成亞燃沖壓發(fā)動機(jī)縱向不穩(wěn)定燃燒的主要原因。這些旋渦結(jié)構(gòu)由反應(yīng)區(qū)不穩(wěn)定的剪切層引起,且嚴(yán)重影響燒燃過程和火焰的釋熱率。此不穩(wěn)定的熱量釋放可激起聲振并可形成一個(gè)反饋回路,此時(shí)聲振在火焰穩(wěn)定器處引起旋渦脫落,而所造成的不穩(wěn)定熱量釋放進(jìn)一步加劇了聲振。另外，還有試驗(yàn)結(jié)果表明,火焰區(qū)的幾何形狀對不穩(wěn)定燃燒的強(qiáng)度有很大影響,即改變火焰幾何形狀是控制不穩(wěn)定燃燒的一種方法。2.2亞聲速燃燒不穩(wěn)定2.2亞聲速燃燒不穩(wěn)定2.3超聲速燃燒不穩(wěn)定長期以來，對于超聲速燃燒不穩(wěn)定是否存在，學(xué)術(shù)界主流的想法是由于聲波不能在超聲速流動環(huán)境中向上游傳播，非定常燃燒過程引起的任何流動振蕩將從發(fā)動機(jī)出口排出而不會與火焰區(qū)相互作用，從而不會形成“驅(qū)動和維持燃燒振蕩所需的”閉環(huán)反饋循環(huán)，因而當(dāng)時(shí)的學(xué)術(shù)界認(rèn)為超燃沖壓發(fā)動機(jī)不會發(fā)生燃燒不穩(wěn)定性。然而2005年，Ma等采用直連式超燃沖壓發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺，測量到了超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)大幅低頻壓力振蕩。隨后通過數(shù)值模擬得到了同一頻率附近的大幅壓力振蕩，并通過解析建模確立了這種燃燒不穩(wěn)定性的發(fā)生與激波-火焰相互作用以及燃料噴注-火焰相互作用有關(guān)。2.3超聲速燃燒不穩(wěn)定超聲速燃燒不穩(wěn)定性產(chǎn)生的原因比較復(fù)雜，這與超聲速燃燒過程中多種流動現(xiàn)象和化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)烈耦合有關(guān)。高速流動中的高剪切率、高梯度、高三維性以及激波、燃料噴注射流、凹腔等因素及其與燃燒的相互作用，可能引起燃燒不穩(wěn)定性。由于這種復(fù)雜性，目前已有的關(guān)于超聲速燃燒不穩(wěn)定性的研究提出了各種機(jī)理，從不同角度對超聲速燃燒不穩(wěn)定性作出了解釋。這些機(jī)理主要可以歸納為兩類。2.3超聲速燃燒不穩(wěn)定第一類機(jī)理屬于流動不穩(wěn)定性機(jī)理。這類機(jī)理強(qiáng)調(diào)流動擾動，包括激波與剪切層相互作用引起的流動擾動、凹腔引起的流動擾動等。若這些流動擾動足夠大，則會促使燃料噴注射流失穩(wěn)，進(jìn)而使高強(qiáng)度釋熱引起的馬赫反射變得不穩(wěn)定，形成燃燒室內(nèi)大幅壓力振蕩。典型的如Choi等的研究，他們采用計(jì)算流體力學(xué)耦合氫氧詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，分辨出了超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)很強(qiáng)的非定常流動特性。2.3超聲速燃燒不穩(wěn)定該項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，激波與剪切層相互作用可能觸發(fā)剪切層不穩(wěn)定性，從而生成大的流動擾動;另外，有凹腔存在時(shí)凹腔則會產(chǎn)生更大的流動擾動。來自剪切層或凹腔的擾動使垂直噴注的燃料射流失穩(wěn)，由此形成的流動非定常性會使高強(qiáng)度釋熱在噴口上方所形成的馬赫反射變得不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致上壁面強(qiáng)烈的壓力脈動。2.3超聲速燃燒不穩(wěn)定第二類機(jī)理屬于熱聲不穩(wěn)定性機(jī)理。這類機(jī)理強(qiáng)調(diào)非定常擾動的反饋循環(huán)，包括激波-火焰的聲學(xué)反饋循環(huán)、激波-火焰的聲學(xué)/對流反饋循環(huán)、燃料噴注-火焰的聲學(xué)/對流反饋循環(huán)。下圖給出了這三個(gè)反饋循環(huán)示意圖。2.3