蒸發式值班火焰穩定器貧熄分析方法研究獲新進展

空氣渦輪火箭（ATR）發動機由于飛行速域寬、空域大，造成燃燒室進氣條件寬泛，且涵蓋氣、固、液多相燃燒，對火焰穩定產生極大不利影響。中國科學院工程熱物理研究所先進推進動力團隊針對這一問題，開展基于Damk?hler數的蒸發式值班火焰穩定器貧熄邊界分析方法研究，揭示了氣流狀態對蒸發式值班火焰穩定器點熄火邊界的影響規律，建立了基于流場關鍵反應區的蒸發式火焰穩定器熄火邊界分析方法。近日，相關成果以封面文章形式發表于《推進技術》。

ATR發動機是渦輪發動機與火箭發動機的組合，具有飛行速域寬、空域大、推重比高的技術優勢，是臨近空間飛行器的理想動力方案之一。ATR發動機燃燒室作為核心部件之一，由于進氣條件寬泛且涵蓋氣、固、液多相燃燒，其設計具有極高挑戰性，需要對穩定工作邊界進行評估。因此，需要準確、高效的寬域發動機燃燒室火焰穩定邊界預測方法，為燃燒室的設計、改進提供技術支撐。

ATR發動機工作原理示意圖及飛行包線 工程熱物理所供圖

基于此背景，上述研究團隊開展了蒸發式值班火焰穩定器在不同工況下的熄火特性試驗。在蒸發式火焰穩定器中，燃油經噴油嘴噴至濺油板與進入進氣管的空氣進行一次摻混，隨后經過微預混經氣孔噴出后與v型槽頂部進氣孔進入的空氣進行二次摻混，從而形成特殊的流場與濃度分布。

基于試驗所獲得的貧熄數據通過數值模擬獲得組分分布場與Damk?hler數場。Damk?hler數是一個無量綱數，定義為流動時間尺度與化學時間尺度的比值，表明了燃燒室當前狀態和臨界狀態的相對關系——Damk?hler數大于1，認為反應物能夠燃燒，Damk?hler數越大，燃燒越穩定。研究發現，高Damk?hler數區域主要集中在火焰穩定器剪切層附近，隨著燃油流量增加，高Damk?hler數區域逐漸合并。

研究團隊認為，這些顯著的變化可以作為熄火的參考。為了量化熄火判斷依據并進一步預測熄火，他們又確定了關鍵反應區，并計算反應區內的全局時間尺度與Damk?hler數。結果發現熄火點工況的Damk?hler數在1附近，即處在臨界燃燒狀態，而穩定燃燒工況的Damk?hler數為11.07。這表明該方法可以對蒸發式火焰穩定器貧油熄火進行預測，并在不同來流工況具有一定普適性，可為ATR發動機燃燒室提供技術支持。

相關論文信息：https://doi.org/10.13675/j.cnki.tjjs.2312002