双模式高速丙烷燃烧室的几何结构与运行机制选择研究
作者及机构
本研究由俄罗斯中央空气流体力学研究所（TsAGI）的Vladimir Vlasenko、Oleg Voloshchenko、Vladimir Sabelnikov（同时任职于法国航空航天实验室ONERA）及Vadim Talyzin合作完成，发表于2017年10月的《AIP Conference Proceedings》第1893卷，论文标题为《Choice of Geometry and Operating Regimes for Experimental Dual-Mode High-Speed Propane-Fueled Combustion Chamber》。
学术背景
研究领域与动机
该研究属于高速吸气式发动机燃烧室设计领域，重点关注双模式燃烧室（dual-mode combustor）的几何构型与运行参数优化。双模式燃烧室需在单一结构中实现亚声速燃烧（subsonic combustion）与超声速燃烧（supersonic combustion）的灵活切换，其性能直接影响超燃冲压发动机（scramjet）的推力与稳定性。研究背景基于俄罗斯教育部支持的“航空发动机燃烧多模式物理模型与数值技术开发”项目（合同号14.G39.31.0001），目标是为高超声速飞行器动力系统提供实验数据与验证模型。
科学问题
传统丙烷燃料在高速流中难以自燃，需通过几何设计、燃料混合或辅助手段（如氢气添加）实现燃烧稳定。研究团队借鉴了欧盟LAPCAT-II项目中ONERA-Laerte设施的氢燃料燃烧室设计经验，但针对丙烷燃料特性及TsAGI的T-131B风洞条件重新优化参数。
研究流程与方法
1. 燃烧室几何设计
- 结构参数：燃烧室为对称矩形通道，包含恒定截面隔离段（isolator，0.3 m）、扩张段（1°倾角，0.6 m）、恒定截面段（0.5 m）及超声速喷管（3°倾角，0.4 m），侧壁宽度0.1 m。
- 燃料注入：丙烷通过上下壁面的两对孔垂直注入，喷注位置位于隔离段末端上游。
- 测量配置：配备4对石英玻璃光学窗口（厚度0.05 m），用于高速纹影成像、OH自由基辐射可视化（chemiluminescence）、壁面热电偶测温及压力波动监测。
2. 数值模拟方法
- 模型选择：采用二维非定常雷诺平均Navier-Stokes方程（URANS），结合多组分化学反应模型（11步简化丙烷氧化动力学）及SST湍流模型（含压缩性修正）。
- 计算技术：
- 网格：结构化多块四边形网格，首层网格y+≈10–100，采用“壁面律”边界条件。
- 数值方法：二阶精度的Godunov-Kolgan格式（对流项）、中心差分（扩散项）及局部隐式源项处理。
- 加速技术：分步时间积分法（fractional time stepping）与非定常分离流快速计算技术。
3. 实验与计算验证
- 纯丙烷燃烧失败：初始计算显示，即使入口温度达1030 K，丙烷无法自燃；使用气动节流阀（pneumothrottle）虽能短暂引发燃烧，但关闭后火焰被吹熄（图2压力分布显示伪激波逐渐消失）。
- 氢气辅助稳定燃烧：
- 亚声速燃烧模式：添加15%氢气（质量分数）后，火焰在扩张段边界层自燃，通过分离区（recirculation zone）形成稳定反应器，最终实现非对称亚声速燃烧（图4温度场演化）。
- 超声速燃烧模式：当氢气比例提升至30%，燃烧主要在超声速边界层中完成，流场保持对称性（图5马赫数场与热释放率分布）。
主要结果与逻辑链条
- 几何与燃料方案验证：通过URANS模拟确认了扩张段设计对燃烧稳定的必要性，并揭示了丙烷-氢气混合比例对燃烧模式（亚声速/超声速）的决定作用。
- 燃烧稳定机制：
- 亚声速模式：依赖分离区形成的局部低速反应区（图5a,c），热释放主要发生在伪激波（pseudo-shock）下游。
- 超声速模式：燃烧集中于边界层，平均马赫数始终大于1（图7蓝线），压力分布符合超声速流动特征。
- 数据支持：
- 压力与温度场数据（图2–8）表明，氢气添加量需精确控制（15%–30%）以平衡燃烧强度与流场稳定性。
- 热释放率（公式1）量化了反应区域，证实亚声速模式下主燃烧区位于分离区外缘。
结论与价值
科学意义
- 提出了适用于丙烷燃料的双模式燃烧室设计框架，揭示了氢气辅助稳定燃烧的临界阈值。
- 验证了2D URANS模型在高速燃烧模拟中的有效性，为后续三维仿真与实验提供了基准。
应用价值
- 为高超声速发动机的烃类燃料（如丙烷）应用提供了可行方案，降低对纯氢燃料的依赖。
- 实验数据可用于验证湍流燃烧模型（如EDC、PDF方法），支撑CFD工具开发。
研究亮点
- 创新方法：首次将“2.5D近似”（考虑侧壁边界层位移效应）应用于高速燃烧室设计，兼顾计算效率与精度。
- 关键发现：明确了丙烷-氢气混合比例对燃烧模式的调控机制，为多燃料混合策略提供理论依据。
- 工程参考：光学诊断方案（如OH自由基成像）与气动节流阀的使用可直接移植至实际发动机测试。
补充价值
- 研究团队开发的快速计算技术（参考文献9）显著缩短非定常模拟耗时，适用于工程预研。
- 与ONERA的氢燃料实验数据对比（参考文献1），凸显了燃料特性对燃烧室设计的普适性挑战。