Влияние прессованного сопла форсунки на смешивание топлива и массовую диффузию многотопливных струй в сверхзвуковом поперечном потоке: расчетное исследование

Jul 17, 2023

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 12095 (2023) Цитировать эту статью

197 Доступов

Подробности о метриках

Эффективная система впрыска играет большую роль в общей работе воздушно-реактивных двигательных установок при сверхзвуковом потоке. В данной работе полностью исследовано использование экструдированных мультиинжекторов при распределении и смешивании топлива через камеру сгорания. Использование экструдированных сопел значительно усиливает образование вихрей вблизи форсунок, и в этом исследовании была предпринята попытка визуализировать роль этих вихрей в диффузии топливной струи через камеру сгорания ГПВРД. Подробно обсуждается влияние струйного пространства на силу создаваемых циркуляций. Моделирование высокоскоростного воздушного потока, перемещающего камеру сгорания с экструдированными соплами, осуществляется с помощью вычислительной гидродинамики. Согласно нашим расчетным данным, использование экструдированных многоструйных струй увеличивает проникновение и диффузию поперечной струи водорода в сверхзвуковом воздушном потоке. Увеличение зазора между форсунками улучшает эффективность смешивания топлива до 27% после жиклеров, в первую очередь за счет улучшения поперечного проникновения топливной струи.

Самым значительным достижением в области двигательной техники для выхода в космос является изобретение прямоточных реактивных двигателей1,2,3,4,5. Ракета-носитель с прямоточным воздушно-реактивным двигателем может работать на протяжении части внутриатмосферного полета с более высокой эффективностью, чем аналогичная ракета, за счет высвобождения массы для увеличения полезной нагрузки или возможности повторного использования5,6,7. Чтобы продемонстрировать высокую эффективность этого устройства в реальных условиях, ГПВРД может работать на сверхскоростях до 12 Маха. Благодаря этим преимуществам ГПВРД в последние десятилетия этот метод активно исследовался. Фактически, это единственный известный способ выхода в космическое пространство. Кроме того, эта двигательная установка обеспечивала необходимую мощность и тягу для высокоскоростного полета8,9,10.

ГПВРД включает в себя четыре основные ступени: впускную (сжатую), диффузор; горелка и вытяжное сопло. На первой стадии давление сверхзвукового воздуха усиливается, затем в диффузоре происходит смешивание топлива, в горелке происходит процесс самовоспламенения и газ с высокой энтальпией выбрасывается с высоким импульсом из выходного сопла11,12,13 . Основное отличие этого двигателя от прямоточного воздушно-реактивного двигателя заключается в скорости поступающего воздуха внутрь камеры сгорания, где происходит впрыск топлива и процесс самовоспламенения14,15,16. В прямоточном воздушно-реактивном двигателе скорость воздушного потока снижается до дозвуковой, хотя его начальная скорость может достигать Маха = 2. Фактически смешение и воспламенение происходят в дозвуковой области17. Однако сверхзвуковой поток сохранил свою скорость в камере сгорания ГПВРД, а впрыск и перемешивание топлива на этом участке происходит со сверхзвуковой скоростью. Это другое состояние делает эти процессы более сложными и запутанными из-за более высокой скорости поступающего воздуха18,19,20. Фактически, высокая скорость воздуха ограничивала время смешивания топлива, а несколько толчков произошло из-за взаимодействия воздушной струи с реактивным шлейфом. Чтобы решить эти трудности, было создано несколько практических систем, сохраняющих эффективность двигателя этого типа даже на более высоких скоростях21,22,23.

Как уже упоминалось, распределение и сгорание топлива происходит в камере сгорания, а механизм впрыска и смешивания топлива происходит с помощью метода впрыска (активного или пассивного)24,25. В активной концепции виброраспределитель, импульсная струя и волнистая стенка являются общепринятой процедурой эффективного впрыска топлива26,27,28. В этих методах используется принудительное возбуждение крупномасштабного механизма. С другой стороны, для подачи топлива внутрь камеры сгорания используются рампы, кулачковые смесители, краны, полости и лопатки. Кроме того, поперечная и противоточная струи являются двумя наиболее популярными методами в этой категории29,30,31.