超声速气流中凹腔主动喷注的强迫点火过程及优化研究

摘要

本文针对入口来流马赫数2.1、总温846K、总压0.7MPa的超声速来流条件，通过采用高速摄影、PSI等流场测量手段并结合数值仿真方法，对凹腔内主动喷注方案优化、凹腔内强迫点火位置优化、凹腔强迫点火能量优化以及优化构型凹腔点火强化作用开展了研究工作。
　　首先，对采用凹腔主动喷注方式下的乙烯强迫点火过程开展试验研究和数值仿真研究。研究结果表明：凹腔前壁面喷注容易使燃料在凹腔角回流区内和火花塞处聚集，凹腔后壁面喷注更加利于点火产生的初始火核在凹腔内的传播，采用凹腔前壁喷注和后壁面喷注相结合的喷注方式能进一步促进初始火核的形成与传播。此外，凹腔前壁面喷注位置应该设置在靠近剪切层处，而凹腔后壁面喷注位置应该设置在靠近凹腔底壁处。
　　通过可调能量点火装置改变强迫点火能量参数，分析对比了火花塞激发能量、激发频率、激发功率对点火特性的影响。研究结果表明：火花塞激发能量决定了火花作用范围和火花存续时间，火花塞激发能量越高，火花作用范围越大，存续时间越长。火花塞激发频率起到了值班火焰的作用并且对初始火核的形成和传播起到了促进作用，并且与激发能量相比，火花塞激发频率是决定着火时间的更主导因素；火花塞激发功率是影响点火过程的关键因素，点火器的设计应该向高激发功率高激发频率的方向发展。
　　通过试验的手段对比分析了凹腔中不同点火位置点火后的火焰传播过程，并结合数值仿真方法对凹腔内不同点火位置的点火过程瞬态流场特征进行定性分析和定量研究。研究结果表明，凹腔内不同点火位置对点火后火焰传播过程的影响主要取决于点火位置所在凹腔内的回流区结构的强弱，凹腔前缘位置相对于凹腔中部和凹腔后部点火位置更加有利于初始火核的形成与传播。
　　最后，以部分覆盖型凹腔为优化构型凹腔研究对象。对基于主动喷注方式下的部分覆盖型凹腔燃烧流场特性、点火特性和部分覆盖型凹腔优化点火位置开展了数值仿真研究。研究结果表明：在相同主动喷注当量比条件下，部分覆盖型凹腔相比于无覆盖凹腔不利于火焰的传播发展，燃料燃烧的也不充分，但部分覆盖型凹腔具有更强的点火强化能力。在点火前流场中，部分覆盖型凹腔相比于无覆盖凹腔，流场平均静压值和静温值要低。但在点火过程中，覆盖板的存在使得覆盖区域静压值和静温值迅速升高，进而有效促进了初始火焰的形成与发展。对于部分覆盖型凹腔，优化的点火位置应该位于凹腔未覆盖区域靠近覆盖板边缘一侧的位置。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究背景和研究意义

1.2 强迫点火基本问题

1.3 超声速气流中强迫点火研究进展

1.4 凹腔火焰稳定器

1.5 本文的研究内容

第二章 试验系统与数值仿真方法

2.1 试验系统

2.2 数值仿真

2.3 本章小结

第三章 强迫点火凹腔主动喷注方案优化研究

3.1 试验方案设计

3.2 凹腔基主动喷注方案

3.3 凹腔主动喷注方案三维冷流数值仿真

3.4 本章小结

第四章 凹腔强迫点火能量优化研究

4.1 可调能量点火系统

4.2 火花塞激发图像对比分析

4.3 点火器最高激发能量工况和最高激发频率工况对比

4.4 点火器激发功率相近工况试验对比

4.5 本章小结

第五章 凹腔强迫点火位置优化研究

5.1 试验方案设计

5.2 凹腔前壁面点火位置和凹腔中部点火位置试验对比

5.3 凹腔强迫点火位置优化数值仿真研究

5.4 本章小结

第六章 基于凹腔主动喷注的部分覆盖型凹腔研究

6.1 部分覆盖型凹腔燃烧流场特性研究

6.2 部分覆盖型凹腔点火特性研究

6.3 部分覆盖型凹腔优化点火位置研究

6.4 本章小结

结 束 语

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果