超声速燃烧回流区ISL失稳热通量阈值计算和点火方法

本发明涉及超声速燃烧点火，尤其是指一种超声速燃烧回流区isl失稳热通量阈值计算和点火方法。

背景技术：

1、超声速燃烧（supersonic combustion，sc）在高马赫数来流条件下，马赫数通常大于2.0，燃料驻留时间极短（毫秒量级），点火与火焰稳定面临严峻挑战。现有技术中，常用凹腔或支板稳燃器形成回流区以延长燃料空气混合物驻留时间并提供点火源（如等离子体炬点火器）。然而，回流区局部火焰形成后，稳燃器尾缘两侧的剪切层因高速主流与低速回流区的速度差而呈现显著稳定化趋势（尤其是对流马赫数时扰动难以向上游传播），导致点火剪切层（ignition shear layer，isl）失稳，局部火焰难以突破剪切层进一步发展为全局火焰，点火成功率低。

2、为了提高点火成功率，现有技术主要通过结构优化改善燃料分布和混合，但均未提供isl失稳的定量热通量阈值计算方法，无法精确评估能量沉积是否足以诱导isl失稳，也难以预测局部火焰突破位置。现有研究虽关注剪切层动态（即kelvin-helmholtz不稳定性）和回流区连续搅拌釜式反应器（continuous stirred-tank reactor，cstr）抽象模型，但缺乏结合反应动力学与非反应流场数据的完整阈值计算框架，导致小功率点火条件下需依赖经验试凑辅助氧气补注等燃烧强化方法提高点火成功概率，实际点火成功率低。

技术实现思路

1、为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中的不足，提供一种超声速燃烧回流区isl失稳热通量阈值计算和点火方法，可以精确计算热通量阈值、预测局部火焰突破位置，提高点火成功概率。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种超声速燃烧回流区isl失稳热通量阈值计算方法，包括：

3、构建稳燃器下游回流区二维模型，基于可压流体剪切层失稳判据和能量守恒关系，推导回流区能量沉积诱导剪切层失稳的热通量阈值。

4、进一步地，所述构建稳燃器下游回流区二维模型，包括：

5、将稳燃器下游回流区抽象为连续搅拌釜式反应器，建立连续搅拌釜式反应器对应的二维模型，所述二维模型沿xoz对称面分割、仅分析一侧剪切层与半个回流区。

6、进一步地，所述基于可压流体剪切层失稳判据和能量守恒关系，推导回流区能量沉积诱导剪切层失稳的热通量阈值，包括：

7、在可压超声速流中引入对流马赫数描述扰动传播，根据所述对流马赫数构建剪切层的失稳条件；

8、计算加热后声速和单位面积能量守恒公式，将所述加热后声速和单位面积能量守恒公式代入所述失稳条件求解温升，根据所述温升得到剪切层失稳的热通量阈值。

9、进一步地，根据所述对流马赫数构建剪切层的失稳条件，具体为：

10、当时判断剪切层失稳，表示对流马赫数；

11、此时的失稳条件等价构建为：

12、，

13、式中，为剪切层高速侧平均流速，为剪切层低速侧平均流速，为对应的平均声速，为对应的平均声速。

14、进一步地，所述加热后声速为：

15、，

16、式中，为加热后声速，为比热比，为气体比常数，为剪切层低速侧的来流静温，为温升；

17、所述单位面积能量守恒公式为：

18、，

19、式中，为单位面积能量，为热沉积持续时间，为回流区平均密度，为回流区厚度，为定压比热容。

20、进一步地，将所述加热后声速和单位面积能量守恒公式代入所述失稳条件求解温升，根据所述温升得到剪切层失稳的热通量阈值，具体为：

21、将所述加热后声速和单位面积能量守恒公式代入所述失稳条件，求解温升为：

22、；

23、根据所述温升构建热通量阈值为：

24、，

25、式中，为热通量阈值，为剪切层高速侧的来流静温。

26、本发明还提供了一种超声速燃烧回流区isl失稳热通量阈值点火方法，包括：

27、使用超声速燃烧回流区isl失稳热通量阈值计算方法得到剪切层失稳的热通量阈值，结合二维模型和非反应流数值仿真数据，估算具体工况的热通量阈值在回流区剪切层交界面上的热通量模长分布；

28、根据热通量模长分布中的热通量模长最大值与所述热通量阈值的关系，预测回流区局部火焰突破剪切层的位置，结合所述回流区局部火焰突破剪切层的位置和热通量阈值指导点火。

29、进一步地，所述结合二维模型和非反应流数值仿真数据，估算具体工况的热通量阈值在回流区剪切层交界面上的热通量模长分布，具体为：

30、将剪切层交界面离散为三角面片，基于三角面片、通过非反应流数值仿真提取流场参数，使用chemkin中的psr模型输入回流区再入特征、输出回流区体积热生成率；

31、根据所述回流区体积热生成率的密度梯度，对功率密度进行质量加权修正，沿yoz平面和xoz平面投影构建三维矩阵场，通过投影计算得到交界面热通量模长分布场。

32、进一步地，所述回流区再入特征包括平均驻留时间，所述平均驻留时间使用拉格朗日粒子追踪，具体计算方法为：

33、生成局部流场数据点、记为：

34、，

35、式中，为第i个数据点，为第i个数据点的空间坐标、为第i个数据点的速度矢量，为第i个数据点的密度，为第i个数据点的氧气质量分数，为第i个数据点的燃料质量分数，为第i个数据点的温度，为第i个数据点的压力，m为数据点的总数；

36、在回流区上游采用随机种子法追踪数据点，判断数据点是否被剪切层卷吸、进入回流区；

37、统计进入和流出回流区的数据点，在追踪步数内计算第i个数据点的驻留时间为：

38、，

39、式中，为第i个数据点的驻留时间，为第i个数据点处于回流区内的数值追踪步数，为时间步长；

40、根据质量加权平均计算平均驻留时间为：

41、，

42、式中，为平均驻留时间。

43、进一步地，所述根据热通量模长分布中的热通量模长最大值与所述热通量阈值的关系，预测回流区局部火焰突破剪切层的位置，具体为：

44、将热通量模长分布中的热通量模长最大值的位置作为候选突破点，当所述热通量模长最大值和热通量阈值的比值大于1时判断可突破。

45、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下有益效果：

46、本发明将稳燃器下游回流区抽象为二维理想化模型，基于可压流体剪切层失稳判据和能量守恒关系，推导得到回流区能量沉积诱导剪切层失稳的热通量阈值；通过热通量阈值精确评估能量沉积是否足以诱导点火剪切层失稳、预测局部火焰突破位置，在此基础上指导点火可以提高点火成功概率，解决侵入式稳燃方式的超声速燃烧中、稳燃器下游回流区局部火焰受剪切层稳定结构限制而难以突破发展为全局火焰的问题。

1.一种超声速燃烧回流区isl失稳热通量阈值计算方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的超声速燃烧回流区isl失稳热通量阈值计算方法，其特征在于：所述构建稳燃器下游回流区二维模型，包括：

3.根据权利要求1所述的超声速燃烧回流区isl失稳热通量阈值计算方法，其特征在于：所述基于可压流体剪切层失稳判据和能量守恒关系，推导回流区能量沉积诱导剪切层失稳的热通量阈值，包括：

4.根据权利要求3所述的超声速燃烧回流区isl失稳热通量阈值计算方法，其特征在于：根据所述对流马赫数构建剪切层的失稳条件，具体为：

5.根据权利要求4所述的超声速燃烧回流区isl失稳热通量阈值计算方法，其特征在于：所述加热后声速为：

6.根据权利要求5所述的超声速燃烧回流区isl失稳热通量阈值计算方法，其特征在于：将所述加热后声速和单位面积能量守恒公式代入所述失稳条件求解温升，根据所述温升得到剪切层失稳的热通量阈值，具体为：

7.一种超声速燃烧回流区isl失稳热通量阈值点火方法，其特征在于，包括：使用权利要求1-6任一项所述的超声速燃烧回流区isl失稳热通量阈值计算方法得到剪切层失稳的热通量阈值，结合二维模型和非反应流数值仿真数据，估算具体工况的热通量阈值在回流区剪切层交界面上的热通量模长分布；

8.根据权利要求7所述的超声速燃烧回流区isl失稳热通量阈值点火方法，其特征在于：所述结合二维模型和非反应流数值仿真数据，估算具体工况的热通量阈值在回流区剪切层交界面上的热通量模长分布，具体为：

9.根据权利要求8所述的超声速燃烧回流区isl失稳热通量阈值点火方法，其特征在于：所述回流区再入特征包括平均驻留时间，所述平均驻留时间使用拉格朗日粒子追踪，具体计算方法为：

10.根据权利要求7所述的超声速燃烧回流区isl失稳热通量阈值点火方法，其特征在于：所述根据热通量模长分布中的热通量模长最大值与所述热通量阈值的关系，预测回流区局部火焰突破剪切层的位置，具体为：