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考虑热力学非平衡效应的高马赫数超燃冲压发动机湍流燃烧数值研究

冯海 金台 吴坤

冯海, 金台, 吴坤. 考虑热力学非平衡效应的高马赫数超燃冲压发动机湍流燃烧数值研究[J]. 实验流体力学, doi: 10.11729/syltlx20230158
引用本文: 冯海, 金台, 吴坤. 考虑热力学非平衡效应的高马赫数超燃冲压发动机湍流燃烧数值研究[J]. 实验流体力学, doi: 10.11729/syltlx20230158
FENG H, JIN T, WU K. Numerical study on turbulent combustion in high Mach number scram-jet engine considering thermal non-equilibrium effect[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, doi: 10.11729/syltlx20230158
Citation: FENG H, JIN T, WU K. Numerical study on turbulent combustion in high Mach number scram-jet engine considering thermal non-equilibrium effect[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, doi: 10.11729/syltlx20230158

考虑热力学非平衡效应的高马赫数超燃冲压发动机湍流燃烧数值研究

doi: 10.11729/syltlx20230158
基金项目: 国家自然科学基金(52076194);中央高校基本科研业务费专项资金(2021FZZX001–11);浙江省自然科学基金杰出青年基金(LR24E060001)
详细信息
    作者简介:

    冯海:(2002—),男,河南镇平人,博士研究生。研究方向:超声速燃烧非平衡效应。E-mail:fenghai@zju.edu.cn

    通讯作者:

    E-mail:jintai@zju.edu.cn

  • 中图分类号: V211.3

Numerical study on turbulent combustion in high Mach number scram-jet engine considering thermal non-equilibrium effect

  • 摘要: 高超声速飞行过程中,随着马赫数升高,边界层内温度快速上升,分子振动能、电子能被激发,气体分子发生离解甚至电离,使得量热完全气体假设失效。针对高温热化学非平衡气体,采用热力学平衡模型及Park的双温度非平衡模型对飞行马赫数12条件下的超燃冲压发动机进行了数值模拟。研究结果表明:与平衡态计算结果相比,非平衡效应使得波系位置前移,激波间峰值压力升高,对冷场的影响更加明显;非平衡态平动温度场与平衡态差别不大,热力学非平衡效应使平动温度略微升高;非平衡态燃烧室出口截面燃烧效率更低,热力学非平衡效应会降低反应程度。
  • 图  1  Ma = 12超燃冲压发动机物理模型

    Figure  1.  Physical model of scramjet engine (Ma = 12)

    图  2  边界条件

    Figure  2.  Boundary conditions

    图  3  计算域网格示意图

    Figure  3.  Schematic diagram of computational domain grid

    图  4  计算域中间截面底壁压力与文献对比

    Figure  4.  Comparison of pressure on the bottom wall in the central plane of the computational domain with literature

    图  5  计算域中间截面底壁上的压力

    Figure  5.  Pressure on the bottom wall of the central plane in the computational domain

    图  6  热力学平衡态流场结果

    Figure  6.  Thermodynamic equilibrium flow field

    图  7  热力学非平衡流场结果

    Figure  7.  Thermodynamic non-equilibrium flow field results

    图  8  上壁面附近的温度曲线

    Figure  8.  Temperature distribution close to the top plane

    图  9  热浴模型计算结果

    Figure  9.  Results of calculated Heat Bath model

    图  10  波系结构对比,冷场(上)和反应场(下)

    Figure  10.  Comparison of shock wave structures, frozen (top) and reacting (bottom) field

    图  11  中心截面底壁压力对比

    Figure  11.  Comparison of pressure close to bottom wall in the central plane

    图  12  平动温度对比,冻结流(上)和反应流(下)

    Figure  12.  Comparison of trans-rotational temperature, frozen (top) and reacting (bottom) field

    图  13  燃烧室出口截面的燃烧效率

    Figure  13.  Combustion efficiency at the exit section of the combustor

    表  1  组分特征振动温度

    Table  1.   The characteristic vibrational temperature of the species

    组分 θv,s/K
    N2 3371
    O2 2256
    H2 6215
    H2O 2294、5180、5400
    OH 5375
    HO2 1577、2059
    H2O2 1250、1970、2030、2070、4130、4910
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    表  2  空气和燃料边界条件

    Table  2.   Boundary conditions for air and fuel stream

    马赫数Ma 流速u/(m·s−1) 静压p/Pa 平动温度Ttr/K
    空气入口 10 3000 1450 227
    燃料入口 1 1208 541778 249
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    表  3  初始条件

    Table  3.   Initial conditions

    Ttr/KTv/Kp/PaXN2XO2XH2
    2000900700000.690.210.10
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-11-22
  • 修回日期:  2024-02-04
  • 录用日期:  2024-02-26
  • 网络出版日期:  2024-04-30

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    《实验流体力学》编辑部

    2021年8月13日