蒸发式值班火焰稳定器贫熄分析方法研究获新进展

空气涡轮火箭（ATR）发动机由于飞行速域宽、空域大，造成燃烧室进气条件宽泛，且涵盖气、固、液多相燃烧，对火焰稳定产生极大不利影响。中国科学院工程热物理研究所先进推进动力团队针对这一问题，开展基于Damk?hler数的蒸发式值班火焰稳定器贫熄边界分析方法研究，揭示了气流状态对蒸发式值班火焰稳定器点熄火边界的影响规律，建立了基于流场关键反应区的蒸发式火焰稳定器熄火边界分析方法。近日，相关成果以封面文章形式发表于《推进技术》。

ATR发动机是涡轮发动机与火箭发动机的组合，具有飞行速域宽、空域大、推重比高的技术优势，是临近空间飞行器的理想动力方案之一。ATR发动机燃烧室作为核心部件之一，由于进气条件宽泛且涵盖气、固、液多相燃烧，其设计具有极高挑战性，需要对稳定工作边界进行评估。因此，需要准确、高效的宽域发动机燃烧室火焰稳定边界预测方法，为燃烧室的设计、改进提供技术支撑。

ATR发动机工作原理示意图及飞行包线 工程热物理所供图

基于此背景，上述研究团队开展了蒸发式值班火焰稳定器在不同工况下的熄火特性试验。在蒸发式火焰稳定器中，燃油经喷油嘴喷至溅油板与进入进气管的空气进行一次掺混，随后经过微预混经气孔喷出后与v型槽顶部进气孔进入的空气进行二次掺混，从而形成特殊的流场与浓度分布。

基于试验所获得的贫熄数据通过数值模拟获得组分分布场与Damk?hler数场。Damk?hler数是一个无量纲数，定义为流动时间尺度与化学时间尺度的比值，表明了燃烧室当前状态和临界状态的相对关系——Damk?hler数大于1，认为反应物能够燃烧，Damk?hler数越大，燃烧越稳定。研究发现，高Damk?hler数区域主要集中在火焰稳定器剪切层附近，随着燃油流量增加，高Damk?hler数区域逐渐合并。

研究团队认为，这些显著的变化可以作为熄火的参考。为了量化熄火判断依据并进一步预测熄火，他们又确定了关键反应区，并计算反应区内的全局时间尺度与Damk?hler数。结果发现熄火点工况的Damk?hler数在1附近，即处在临界燃烧状态，而稳定燃烧工况的Damk?hler数为11.07。这表明该方法可以对蒸发式火焰稳定器贫油熄火进行预测，并在不同来流工况具有一定普适性，可为ATR发动机燃烧室提供技术支持。

相关论文信息：https://doi.org/10.13675/j.cnki.tjjs.2312002