凹槽機構之幾何參數對於超音速流場影響之數值模擬分析

Abstract

超燃衝壓發動機為目前吸氣式發動機中飛行速度最快之發動機，其特點在於自由流能維持在超音速的狀態下進入燃燒室中。由於自由流速度為超音速，液態燃料需要經過破碎、霧化及蒸發等過程，並與氧化劑混合後才能產生燃燒反應。這些諸多因素，造成燃燒室內部之點火不易、燃料與空氣難以充分混合影響著燃燒效率。因此，本研究加入凹槽駐焰機構針對其幾何外型的變化，使用ANSYS FLUENT進行一系列的數值計算模擬分析。藉由數值計算軟體探討凹槽機構之幾何形狀變化，對於超音速之流場結構的影響，並能夠模擬出明確的流場結構、氣態煤油分佈、燃燒室溫度分佈等重要參數，以提供實驗設備難以觀測之物理現象，有利於減少實驗昂貴的支出及提升人員的安全性。 首先，本研究根據Gruber等人之文獻，建立相同條件之二維超音速燃燒室，並藉由本研究設定之數值方法與其數值計算之流場進行比對，結果顯示本研究成?模擬出Gruber等人計算之穩態流場結構，同時驗證了本研究數值方法之可靠度及精確性。在幾何模型的部份，建立兩組不同凹槽長深比(L/D)值分為3 0及6 0，且後壁面傾角分為16度及30度之燃燒室模型。首先，觀察在尚未注入液態燃料之凹槽機構內部流場，發現到儘管為左右對稱之幾何模型，流場仍存在不對稱性，在一連串的測試下，發現加入凹槽機構，其內部產生之迴流區彼此間會有交互作用會造成流場不穩定的現象。因此，具凹槽機構中之流場不容易呈現對稱流場形態。凹槽機構的設置會造成自由流有小幅度之下傾現象，使得燃料流入凹槽機構中，增加燃料駐留於燃燒室中之質量。而不論L/D值為3 0或6 0的模型，後壁面傾角16度之自由流下傾角度皆大於後壁面傾角30度之自由流下傾角度，也代表著後壁面傾角16度之幾何外型能夠使燃料駐留質量較多。而自由流流經凹槽後壁面時，由於幾何型形狀改變影響流場面積縮小，造成流場速度減慢、壓力提升，而在後壁面產生後緣弓形震波的現象。最後，氣態煤油S型?動方面，平板燃燒室會因前方液態燃料與自由流撞擊產生之弓形震波，會造成自由流發生擾動，使得氣態煤油有小幅度之S型?動；具凹槽機構燃燒室，由於凹槽機構內部產生之迴流區，迴流區彼此間之交互作用，會造成流場產生不穩定性進而造成氣態煤油?動現象更加顯著，而迴流區的個數增加，則會造成交互作用更加劇烈，流場的不穩定性更加嚴重，氣態煤油?動則有愈劇烈的趨勢。 關鍵字：超音速燃燒、液態燃料噴注、凹槽機構、數值模擬、弓形震波

Date of Award	2018 Jul 25
Original language	Chinese
Supervisor	Tsung-Leo Jiang (Supervisor)