椭圆与圆形超燃冲压发动机燃烧室的对比研究：基于RP-3燃料的实验与模拟分析

作者及机构
本研究的核心团队由Wei Yao、Yueming Yuan、Xiaopeng Li、Jing Wang、Kun Wu和Xuejun Fan组成，均来自中国科学院力学研究所高温气体动力学重点实验室。研究成果发表于《Journal of Propulsion and Power》2020年5-6月刊（Vol. 34, No. 3），DOI编号10.²⁵¹⁴⁄₁.B36721。

学术背景
传统超燃冲压发动机燃烧室多采用矩形截面设计，以实现与飞行器机身的紧凑集成。然而，非矩形燃烧室（如轴对称圆形或椭圆形）因其独特的优势（如减少边界层角区影响、增强燃料混合效率、提升结构强度）逐渐受到关注。本研究聚焦圆形与圆转椭圆过渡型（Round-to-Elliptic Shape-Transition, RDST）燃烧室的流动与燃烧特性对比，旨在揭示几何形状对超音速燃烧性能的影响机制。研究背景基于以下关键问题：
1. 非轴对称几何导致的复杂三维波系结构尚未明确；
2. 椭圆截面燃烧室的火焰稳定性和热分布特性缺乏系统性研究；
3. 现有燃料（中国RP-3航空煤油）的简化化学反应机理需进一步优化以降低计算成本。

研究目标包括：验证改进的延迟分离涡模拟（Improved Delayed Detached-Eddy Simulation, IDDES）方法的准确性，对比两种燃烧室的混合效率、燃烧效率与总压损失，并首次揭示椭圆燃烧室内的三维波系结构。

研究流程与方法
1. 燃料机理简化
- 基于Dagaut等提出的RP-3详细机理（2815种组分/8217步反应），通过定向关系图误差传播（DRGEPSA）和手动路径分析，开发了4种简化骨架机理（最大规模48种组分/197步反应，最小19种组分/54步反应）。最终采用19组分/54步机理，其在绝热火焰温度、点火延迟等关键参数上与详细机理误差小于5%（图1）。

1. 实验与数值模拟设计

   • 实验平台：连续流超音速燃烧测试设施，模拟飞行马赫数（Ma）6.5条件，总温1600 K，空气质量流量3.6 kg/s。
     
   • 燃烧室构型：
     
     • 圆形燃烧室：8个直径2 mm的燃料喷射孔，周向均匀分布；
       
     • 椭圆燃烧室：6个直径2.5 mm喷射孔，避开长轴平面，短轴50 mm，长轴115.5 mm。
       
   • 工况：全局当量比固定为0.8，入口马赫数分别为2.5和3.0。
     

2. 数值模拟方法

   • 求解器：基于OpenFOAM 3.0.1开发的AstroFoam，支持多组分反应流动的Favre平均Navier-Stokes方程。
     
   • 湍流模型：IDDES方法，结合Spalart-Allmaras背景模型，湍流普朗特数（Prt）和施密特数（Sct）设为1.0。
     
   • 燃烧模型：部分搅拌反应器（PaSR）模型，化学时间尺度通过组分浓度与正向反应速率比值动态估算。
     
   • 网格验证：针对椭圆燃烧室Ma=3.0工况进行网格敏感性分析，确认2743万网格单元可保证压力预测误差%（图4）。
     

3. 数据处理与分析

   • 混合效率（η_mix）：基于燃料与空气的局部当量比积分计算；
     
   • 燃烧效率（η_c）：通过CO₂生成量反推；
     
   • 总压损失（η_t）：基于入口与出口总压积分比；
     
   • 本征正交分解（POD）：提取火焰结构的 dominant modes，分析瞬态演化特征。
     

主要结果
1. 流动特性对比
- 圆形燃烧室：燃料射流穿透深度更大（图7），但马赫数升高至3.0时，激波串向下游移动约1倍入口直径（Dinlet），峰值压力下降50%（图5）。
- 椭圆燃烧室：激波串位置对入口马赫数不敏感，短轴方向的压缩效应形成“喉道”作用，锚定激波（图12）。三维波系呈漏斗状对称分布（图12b），核心流马赫数最低点位于下游凹腔附近。

1. 燃烧性能

   • 混合效率：圆形燃烧室近场混合更优，但椭圆燃烧室在x=1.2 m后反超（图10-11）。
     
   • 燃烧效率：椭圆燃烧室出口效率达76.7%（Ma=2.5），高于圆形的59.7%，归因于长轴平面的大面积低速区（图8）。
     
   • 总压损失：两者差异较小（椭圆71.1% vs 圆形64.4%，Ma=2.5），但马赫数升高至3.0时，椭圆燃烧室损失增至81%（图11c）。
     

2. 火焰稳定性

   • POD分析：前4阶模态贡献率超60%（图15），显示火焰主要沿剪切层分布（图16）。椭圆燃烧室的形状过渡区（圆→椭圆→圆）形成类似凹腔的流动结构，通过涡旋卷吸实现火焰稳定（图14）。
     

结论与价值
1. 科学价值：
- 首次揭示了椭圆燃烧室的三维非对称波系结构，阐明了几何形状对激波锚定和火焰稳定的影响机制；
- 验证了19组分RP-3简化机理在超燃模拟中的可靠性，为后续研究提供了高效工具。

1. 工程意义：
   
   • 椭圆燃烧室的设计可通过短轴压缩提升燃烧稳定性，但需优化燃料喷射布局以改善近场混合；
     
   • 研究结果为高马赫数条件下燃烧室构型选择提供了数据支撑。
     

研究亮点
1. 方法创新：结合IDDES与PaSR模型，实现了超音速燃烧的高精度模拟；
2. 发现创新：首次观测到椭圆燃烧室的漏斗状波系及形状过渡区的“类凹腔”稳焰效应；
3. 应用创新：提出的简化燃料机理将计算成本降低两个数量级，且精度满足工程需求。

其他价值
- 实验数据与模拟代码（AstroFoam）已部分公开，可供同行验证与拓展研究；
- 研究获得国家自然科学基金（No. 91641110, 11502270）和天津超算中心支持。