对激波诱导斜爆震波机理的研究

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当前高超声速吸气式推进系统主要有两种方案,一种是基于扩散机制主导燃烧的超燃冲压发动机,另一种是基于激波诱导燃烧的激波诱燃发动机。相对于超燃冲压发动机,激波诱燃发动机结构更为紧凑,点火方式更简单,飞行马赫数范围也更宽,但其火焰激发的机理复杂并且难以掌控,这限制了它的进一步发展。在众多激波诱燃推进方案中,斜爆震波发动机最为引人注目。在过去的几十年中,航空工业界针对斜爆震波进行了大量的研究工作。当超声速来流撞击斜劈尖块时,在斜楔面上形成了斜激波,混气在激波后被激发燃烧,从而形成了特殊的激波-燃烧波耦合结构。大量实验和数值模拟证明这种结构是可以稳定存在的。本文主要开展激波诱导斜爆震波的机理性研究,利用CFD技术手段探索可变边界条件下斜爆震波系结构的变化规律。斜爆震波的激发主要通过斜劈尖块激发超声速来流混气实现。由于爆震反应极为迅速,来流条件也很苛刻,大部分研究通过数值模拟进行,采用固定边界条件获得稳定驻定的爆震波,但斜爆震燃烧室在实际工作中边界条件往往是瞬态变化的,因此研究可变边界条件下的斜爆震波系机构变化规律极具意义。考虑到来流温度由于混气掺混不均匀等因素极易发生波动,通过引入温度扰动研究了斜爆震波结构转化的形态。模拟结果表明,斜爆震波系结构能够顺利过度,但扰动传播过后,斜爆震波系的内部不稳定性被进一步被释放,胞格结构更加清晰;结合定量和定性分析发现,扰动主要以激波、膨胀波和弱压缩波的形式在燃烧室内传播;对比温降和温升两种扰动的结果得出,三种波在爆震区内传播过程中的位置分布相同,但在爆燃区内却完全相反,造成这种结果的主要原因是两种扰动引发的弱压缩波的强度不同,从而对斜爆震波的结构调整所起到的作用也存在很大区别;在温降扰动下,三种波沿壁面向下游传播,其中激波会呈现出弓形激波、马赫发射、规则反射和近乎垂直于壁面的正激波四种形态,而在温升扰动下,三种波沿斜爆震波面向下游传播,传播形态也较为稳定。在以往的研究中,来流组份含量的变化对斜爆震波结构的影响没有受到足够的重视。鉴于此,本文研究了当量比对斜爆震波的影响。结果显示,随着当量比增大,诱导区长度呈U型曲线变化,在此过程中温度起到了关键作用。通过研究诱导区末端的压力分布发现,诱导区末端的压缩波强度是影响诱导区过渡形式的决定性因素。当量比在0.62.5之间时,压缩波强度较强,过渡形式为突变型,超出该范围,压缩波强度较弱,过渡形式为平滑型。此外,结合定容燃烧(CVC)理论分析了不同来流压力下的诱导区长度随当量比的变化情况,得出诱导区内的化学动力学效应影响了诱导区长度,使其沿理论所预测的U型曲线变化;气动力学效应影响了诱导区长度的变化幅度和速率,避免其过度增大或减小。本文最后研究了N2对斜爆震波结构的影响,通过对比斜爆震波后压力和HO2质量浓度变化情况,发现N2含量较低时,气流在斜爆震波后会发生二次燃烧,反应区内形成强压缩波。随N2含量升高,二次燃烧现象和压缩波逐渐减弱直至消失。此外,本文讨论了温度对斜爆震波后流场的影响,结果表明,降低温度能够促进气流的二次燃烧。
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