超声速燃烧污染效值模拟
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在吸气式高超声速地面推进试验中，目前国内主要采用燃烧加热方式来获得高焓试验气体，这势必在试验气体中引入真实大气中没有或含量很少的组分即“污染组分”(如H2O，CO2H，O，OH，NO，CxHy等)。这些污染组分的存在对发动机工作过程中会产生一定的物理、化学影响，使得发动机地面试验性能与真实条件下存在差异，因此如何评估地面试验气体污染对超燃冲压发动机性能的影响，已成为目前亟需解决的关键问题之一。在国外，超燃冲压发动机的研究紧密结合了CFD技术，充分发挥了数值计算在试验预处理、流场诊断分析中的作用。Srinivasan和Erickson［1，2］采用GASP软件，数值模拟了摩尔含量16%H2O+8%CO2的污染空气和纯净空气来流下氢燃料等直燃烧室的三维反应流场。Mattick和Frankel［3］采用商业Fluent软件，数值模拟了二维Burrows-Kurkovr氢燃料燃烧室反应流场，定性研究H2O污染空气来流中继续添加微量H、O和OH自由基对氢燃料点火距离和燃烧效率的影响。ShivakumarSrinivasan［4］等使用9组分21方程有限速率化学动力学模型，开展了污染影响的数值研究。R．H．Krauss和G．Gauba［5］等通过实验和数值方法研究了氢气在含有H2O的实验气体中的超声速燃烧。本文针对氢、乙烯燃料超声速燃烧室开展了模拟飞行马赫数4状态下，不同H2O、CO2污染水平来流下的燃烧化学反应流场数值模拟，通过计算结果和试验结果的对比分析，初步研究了H2O和CO2污染组分及其组合对氢、乙烯燃料超声速燃烧室性能的影响，为地面实验气体“污染效应”评估、发动机天地性能对比提供参考。
1计算模型、方法与计算状态
1.1计算模型与网格图1给出了本文计算的超声速燃烧室模型，In-jector1为氢气喷射位置;Injector2为乙烯喷射位置。本文针对该模型，对氢、乙烯超声速燃烧室分别进行了三维、二维燃烧流场数值模拟，计算网格为结构化网格，网格在壁面、燃料喷孔、突扩台阶、凹槽处进行局部加密。为了便于划分三维模型网格，将圆形燃料喷孔处理成等面积方孔。
1.2计算方法及边界条件计算中控制方程采用可压雷诺平均Navier-Stokes方程及组分方程，对流通量选取AUSM分裂格式，粘性通量计算采用基于Gauss定理的中心格式，湍流模型选取Realizablek-ε模型。化学反应模型分别采用文献［6］中的H2/O2体系七组分八步有限速率反应模型和文献［7］中的C2H4/O2体系六组分三步有限速率反应模型;计算中考虑工质变比热的影响。进口边界:给定来流总压、静压、总温及工质组分;出口边界:核心区为超声速流动，对原始变量采用一阶精度外推，出口背压设定为一个大气压;壁面边界:采用无滑移、绝热、完全非催化及零压力梯度壁面条件;喷孔出口边界:所有喷孔均取音速喷射条件，给定总温、总压、静压及工质组分。
1.3计算状态说明基于实验状态参数，完成了模拟飞行马赫数4.0条件下纯净空气和各种污染空气来流下氢、乙烯燃料超声速燃烧室数值计算。各计算状态的燃烧室进口来流状态参数如表1所示。对于氢燃料，计算了当量油气比Φ=0.42时H2O和CO2污染组分对氢燃料超声速燃烧燃烧室性能的影响;对于乙烯燃料，计算了当量油气比Φ=0.57条件下H2O和CO2污染组分对乙烯燃料超声速燃烧燃烧室性能的影响。其中污染水平并不局限于Ma=4条件，考察的H2O污染水平有7.5%、17.5%，CO2污染水平为7.5%，均为摩尔百分比。
2结果分析与讨论
2.1针对氢燃料的计算结果与分析图2a)和图2b)分别给出了计算得到的纯净空气和含H2O污染空气来流下燃烧室壁面压力分布对比，图中给出了相应的试验测量值。总体而言，计算得到的壁面压力与试验值比较接近，两者反映的不同H2O污染水平对燃烧室壁面压力影响的趋势是一致的，计算结果能较好地分辨出H2O污染组分对氢燃料燃烧室性能的影响。从图中可见，计算得到的壁压值与试验值均是在纯净空气下最高，含7.5%H2O污染空气下次之，而含17.5%H2O污染空气下最低，说明H2O污染组分对燃烧诱导压升具有抑制作用;对于上壁面的压力爬升段(X/L＜0.4)，相对于纯净空气来流，试验得到的含7.5%H2O、17.5%H2O污染来流燃烧诱导压升大约分别下降9%和24%，显示出H2O污染组分对燃烧的非线性抑制影响。图3a)和图3b)分别给出了计算得到的纯净空气和含H2O/CO2污染空气来流下燃烧室壁面压力分布对比，图中给出了相应的试验测量值。总体而言，计算得到的壁面压力与试验值比较接近，两者反映出的不同H2O、CO2及其组合污染对氢燃料燃烧室壁面压力影响的趋势是一致的，计算结果能较好地分辨出H2O、CO2污染组分对燃烧室性能的影响。从图中可见，相对与纯净空气来流状态，添加H2O、CO2污染组分及其组合会引起燃烧室壁压不同程度下降，反映出H2O、CO2污染组分对燃烧诱导压升具有抑制作用。
相对于含7.5%H2O污染空气来流状态，含7.5%CO2污染空气来流下的燃烧室壁面压力更低，说明在本文研究条件下CO2污染组分对燃烧室性能的影响更为显著，在相同H2O污染水平条件下继续添加CO2污染组分会使壁面压力进一步下降，这与试验结果反映的趋势是一致的。对于上壁面的压力爬升段(X/L＜0.4)，相对于纯净空气来流，试验得到的含7.5%H2O、含7.5%CO2污染来流燃烧诱导压升大约分别下降9%和23%。图4和图5分别给出了计算得到的五种工况条件下一维质量加权的总温和燃烧效率沿流向分布的对比图。从图4中可以看到，纯净空气来流下的总温和温升最大，而含7.5%CO2、7.5%H2O、17.5%H2O、7.5%H2O+7.5%CO2污染空气来流下的总温和温升依次降低。从图5中可以看到，纯净空气来流下的燃烧效率最高，而含7.5%H2O、7.5%CO2、17.5%H2O、7.5%H2O+7.5%CO2污染空气来流下的燃烧效率依次降低。
可见，来流试验空气中存在H2O和CO2污染组分降低了燃烧温升和燃烧效率，从热力学角度来看，相对于N2、H2O和CO2的比热容相对较高，因此在相同释热量情况下降低了燃烧温升，进而降低了燃烧诱导压升;而CO2组分的摩尔比热容要比H2O的要大，因此在相同污染水平下CO2污染组分造成的燃烧温升下降、燃烧效率下降更大。计算结果显示，相对于纯净空气来流，含7.5%H2O、7.5%CO2、17.5%H2O、7.5%H2O+7.5%CO2污染空气来流下的燃烧效率依次降低6.8%、9.7%、11.9%、13.2%。图6给出了计算得到的五种工况下一维质量加权马赫数沿流向的分布曲线。可见，纯净空气来流条件下马赫数最小，在隔离段出口出现亚音速区域燃烧室处于亚声速燃烧模态，说明燃烧释热引起的热壅塞较为强烈，这与纯净空气来流条件下燃烧效率最高是相对应的;而在含7.5%H2O、7.5%CO217.5%H2O、7.5%H2O+7.5%CO2污染空气来流下燃烧室沿程马赫数呈依次增大趋势，燃烧室处于超声速燃烧模态。
因此，H2O和CO2污染组分的存在会改变燃烧室的工作模态。总体而言，相对于纯净空气来流，含H2O、CO的污染空气来流降低了氢燃料超声速燃烧室性能表现在总温升、燃烧效率等参数的下降。2.2针对乙烯燃料的计算结果与分析图7a)和图7b)分别给出了计算得到的纯净空气和含H2O/CO2污染空气来流下燃烧室壁面压力分布对比，图中给出了相应的试验测量值。总体而言，计算得到的壁面压力与试验值比较接近，两者反映的不同污染水平对燃烧室上、下壁压影响的趋势是一致的，计算结果能较好的分辨出不同污染水平对乙烯燃料燃烧室流场的影响。壁面压力第一、三个测点分别为隔离段进、出口处，从图7a)中可以看到，三个状态下的乙烯燃烧诱导压力均有显著升高并且向上游传播进入隔离段内一定距离，壁面压力计算值与试验测量值均是在纯净空气下最高，含7.5%H2O污染空气下次之，而含7.5%H2O+7.5%CO2污染空气下最低，可见添加H2O、H2O+CO2对乙烯燃料超音速燃烧室的燃烧诱导压升同样具有一致作用，这与氢燃料时是一致的。对于上壁面压力爬升段(X/L＜0.40)，相对于纯净空气来流，试验测得的含7.5%H2O和含7.5%H2O+7.5%CO2污染来流的燃烧室壁面压力大约分别下降6.47%和7.81%，可见在污染组分H2O的基础上继续添加污染组分CO2，会引起壁压的继续下降。图8和图9分别给出了计算得到的三种工况条件下一维质量加权的总温和燃烧效率沿流向方向各截面分布对比。从图8、图9中可以看到，纯净空气来流下的总温升和燃烧效率最大，7.5%H2O、7.5%H2O+7.5%CO2污染空气来流下的总温升和燃烧效率依次降低。
可见，来流试验空气中污染组分H2O和CO2的存在降低了燃烧总温升和燃烧效率，从热力学角度来看，相对于N2、H2O和CO2的摩尔比热容相对较高，因此在相同释热量情况下降低了燃烧温升，进而降低了燃烧诱导压升，反映在壁面压力的下降。计算结果显示，相对于纯净空气来流，7.5%H2O、7.5%H2O+7.5%CO2污染空气来流下燃烧室出口燃烧效率依次降低10.2%、21.8%。图7乙烯燃料燃烧室上下壁面压强试验结果与计算结果对比H2O是重要的燃烧化学反应生成物，在一定程度上反映化学反应的进程，二种工况下乙烯燃料燃烧生成的H2O质量分数沿流向各截面上的分布对比曲线。从图10中可以看到，在7.5%H2O污染来流下，继续加入污染组分7.5%CO2后，乙烯燃烧生成的HO质量减少。这是因为CO2具有较大的摩尔比热容和摩尔质量，使得燃烧室内温升降低，燃烧效率降低，燃烧室内压力降低，可能使得乙烯在高温高压下的裂解反应程度削弱，最终使得燃烧室内生成的HO质量减少。图11给出了计算得到的三种工况下(纯净空气、含7.5%H2O、含7.5%H2O+7.5%CO2)一维质量加权的马赫数沿流向各截面上的分布对比曲线。可见，纯净空气来流条件下马赫数最小，7.5%H2O、7.5%H2O+7.5%CO2污染空气来流下的马赫数依次增大。由于燃烧释热引起的热壅塞，三种工况下隔离段出口马赫数均下降至接近于音速，并在燃烧区出现亚音速区域，燃烧室处于亚声速燃烧模态。总体而言，相对于纯净空气来流，含H2O、CO2的污染空气来流降低了乙烯燃料超声速燃烧室性能，表现在总温升、燃烧效率等参数的下降。
3结论
本文数值计算方法，完成了纯净空气和含H2O/CO2污染组分来流下氢燃料燃烧室三维燃烧流场和乙烯燃料燃烧室二维燃烧流场的数值模拟，并将计算结果与试验结果进行比较，初步研究了H2O和CO2污染组分及其组合对氢、乙烯燃料超声速燃烧室性能的影响，主要结论如下:1)总体上看，数值计算与试验得到的燃烧室壁压值比较接近，两者反映的H2O、CO2污染组分对燃烧室壁面压力的影响趋势是一致的，即计算结果能较好的分辩出H2O、CO2污染组分对超声速燃烧室性能的影响。2)不论对于氢燃料，计算和试验结果均表明H2O、CO2污染组分及其组合对燃烧诱导压升具有明显的抑制作用，反映在壁面压力的下降，并表现出非线性的影响趋势;H2O、CO2污染组分的存在降低了燃烧室总温升、燃烧效率;在燃烧室工作模态方面，H2O、CO2污染组分的存在会引起燃烧室工作模态的改变。3)对于乙烯燃料，计算和试验结果均表明H2O、H2O+CO2污染组分对燃烧诱导压升具有明显的抑制作用，反映在壁面压力的下降;H2O、CO2污染组分的存在降低了燃烧室总温升、燃烧效率;在H2O污染的基础上继续添加CO2污染组分会降低燃烧室沿程的H2O组分质量分数。4)总体而言，相对于纯净空气来流，含H2O、CO2组分的污染空气来流降低了超声速燃烧室的性能，表现在壁面压力、总温升、燃烧效率等参数的下降。因此，纯净空气与污染空气来流下获得的燃烧室性能数据存在较大差异，如壁面压力、总温升、燃烧效率、工作模态等，需要进行仔细对比评估与修正，直接将污染空气来流下获得的数据外推应用于真实飞行条件下发动机性能预测可能会造成供油偏大或工作模态转换失当。