摘要
液体碳氢燃料以其安全性好、便于贮存与携带等优点，广泛应用于超燃冲压发动机燃烧室中。研究液体碳氢燃料在超声速气流中的蒸发、点火与燃烧过程有助于深入了解超燃冲压发动机燃烧室内的工作过程，因此开展超声速两相燃烧流场数值模拟技术的研究具有重要意义。本文基于欧拉-拉格朗日方法，构建了超声速来流条件下气液流动与化学反应耦合的数理模型：气相部分控制方程为含化学反应源项以及气液相间作用源项的多组元 Navier-Stokes 方程；分散相液滴部分控制方程为液滴运动方程，并引入多个子模型以描述弥散液滴在超声速流场中的入射、破碎、碰撞和蒸发过程。利用多个算例对上述数理模型中涉及到各子模型进行了验证，获得了与试验数据相吻合的结果。此外，对比分析了破碎模型、入射模型以及蒸发模型对液滴在超声速冷流流场中雾化过程预测结果的影响，研究结果表明：超声速两相流流场中，Kelvin-Helmholtz/Reyleigh-Taylor混合破碎模型的计算结果与试验数据更为接近；在相同的初始条件下，初始入射液滴的尺寸分布会直接影响雾化液滴穿透深度、尺寸、空间位置等液雾特性参数的预测结果；超声速流场中燃料蒸气组分主要来源于小尺寸液滴。为准确描述超燃冲压发动机燃烧室中液态煤油燃料在雾化蒸发后的燃烧细节，有必要对其燃烧化学反应机理进行深入研究。考虑到煤油燃烧详细化学反应机理过于庞大，不宜直接应用于燃烧流场数值模拟研究，本文综合采用敏感性分析方法与路径分析方法，针对RP-3航空煤油三组分替代燃料（73%正十二烷、1，3，5-三甲基环己烷，12.3%正丙基苯）的详细反应模型进行简化，提出了一种适用于超声速燃烧流场数值模拟的新型26组分89反应简化燃烧反应模型。采用该简化燃烧模型对RP-3航空煤油替代燃料的点火、燃烧特性进行了数值模拟，并与详细反应模型结果和试验数据进行了对比校验。此外，将上述简化燃烧反应模型与超声速气相燃烧流场计算方法相结合，数值分析了典型超燃冲压发动机燃烧室流场内化学动力学特性：采用简化燃烧反应模型对定常燃烧流场进行了典型算例数值模拟，得到了与试验数据相吻合的结果；对气态煤油在超燃冲压发动机燃烧室内的非定常燃烧流场开展了数值研究，详细对比了简化燃烧反应模型与总包反应机理的预测结果，分析表明该简化模型在计算精度方面具有明显优势，可以更准确地描述燃料燃烧过程中化学能的释放过程，并能够得获得烯烃、炔烃等重要中间燃烧产物的空间分布规律，反映重要自由基及其相关化学反应对燃料化学能释放的影响效应，给出更为全面的流场信息。在上述研究的基础上，针对超燃冲压发动机燃烧室内引导氢气辅助下液态煤油的点火燃烧过程开展了数值模拟研究，对比不同工况下燃烧室中静温、静压、组元分布、燃烧效率等参数的变化规律，详细分析与讨论了不同喷注当量比、不同喷注位置对液态煤油在超声速流场中雾化、蒸发以及燃烧过程的影响。研究发现提高燃料当量比、引入氢气火焰等措施可以有效提高燃料与主流的掺混，提高燃料燃烧效率。此外，引导氢气火焰对燃料稳定点火的促进作用一方面来源于燃烧释热的同时产生大量活性自由基，另一方面来源于与主流干扰形成的复杂流场结构对液滴掺混、蒸发过程的促进作用。
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