连续旋转爆轰发动机流场三维数值模拟

对连续旋转爆轰发动机(continuous rotating detonation engine,简称CRDE)流场进行了三维数值模拟.数值计算获得同轴圆管腔内CRDE的多个爆轰循环过程.依据计算获得流场,分析了可燃气入射、提前燃烧、爆轰波结构等实现连续爆轰的几个关键机理问题.通过多个算例对不同来流总压时的旋转爆轰的推进性能进行了比较与分析,最后计算获得基于燃料的比冲约为2 200 s,燃料流量随总压变化呈线性增长.      

连续爆轰发动机的二维数值模拟研究

介绍了连续爆轰发动机(Continuous detonation engine,简称CDE)的物理模型及爆轰波传播的物理机理,并对CDE流场的波结构进行了分析.使用两步化学反应模型对简化的CDE模型做了二维数值模拟研究.计算了圆柱面展开二维平面的多个爆轰循环过程.模拟结果较好地匹配了相关CDE实验所获得的流场结构.数值计算结果使我们可以更加透彻地理解CDE各方面的参数,对于CDE的进一步研究具有一定的指导意义.      

圆柱坐标系下连续旋转爆轰发动机的数值模拟

使用两步化学反应模型对连续旋转爆轰发动机(Continuous rotating detonation engine,CRDE)进行了二维数值模拟研究。数值计算获得了同轴圆管腔中间层曲面上连续爆轰的多个循环过程。分析了燃料入射、提前燃烧、爆轰波结构和波传播速度等几个关键问题。计算获得燃烧室内流场结构与之前实验研究结果定性符合。计算中燃料以最大1400m/s沿轴向入射,爆轰波可约以2400m/s沿周向连续循环传播。计算的燃烧室内爆轰波循环频率约为2300Hz。     

连续旋转爆轰发动机参数特性的三维数值模拟

采用一步化学反应模型,基于任意坐标系下Euler控制方程,对连续旋转爆轰发动机(CRDE)进行了三维数值模拟研究, 详细分析了来流总压对CRDE参数特性的影响.研究发现:随着来流总压的增大,爆轰波峰值随之增大,但是燃烧室头部Laval型喷注段的壅塞比基本不变.不同来流总压下,可燃气体在燃烧室头部均以亚声速入射.随着来流总压的增大,燃烧室内流场的平均压强增大,但是其平均轴向流速基本不变.CRDE的流量、推力和比冲均随着来流总压的增加而变大;但是,不同来流总压下,CRDE的流量与Laval型喷注段最大流量之比不变,并且此比值约等Laval型喷注段的壅塞比.Laval型喷注段最大流量与来流总压成正比,因此以上分析从理论上进一步解释了CRDE的流量与来流总压成正比的原因.      

脉冲爆轰发动机预爆轰点火数值模拟

本文采用二维数值模拟对脉冲爆轰发动机点火方式中的预爆轰点火进行了分析研究.模拟了预爆轰管在主爆轰管上的两种最基本的布置方式:平行布置方式和正交布置方式.讨论了预爆轰管的布置方式和几何形状对点火的影响.结果表明:正交布置方式优于水平布置方式,因为反射激波在点火过程中起到了非常重要的作用.预爆轰管和主爆轰管的内径比是影响点火的重要参数,而长度的影响则较小.     

连续旋转爆轰波在无内柱圆筒内的数值模拟

在对同轴圆管内的连续旋转爆轰的已有研究成果进行总结分析后,提出无内柱的连续旋转爆轰的燃烧室模型.利用结合了一步化学反应模型的圆柱坐标系下的Euler方程三维数值模拟了在这种燃烧室内爆轰波的传播行为.数值结果表明:爆轰波由初始起爆的单向传播最终自动收敛稳定到若干个典型爆轰波头的流场结构.在当前进气条件下,流量可以达到450kg/m2s,其基于反应物的比冲约为1900s.与同以H₂/Air作为燃料时同轴连续旋转爆轰发动机(RDE)燃烧室模型的2000s相比,基于反应物的比冲十分接近,但由于内部有可燃气以爆燃形式燃烧等原因,有5%的损失.      

脉冲爆轰发动机内三维两相爆轰的数值计算

根据脉冲爆轰发动机内脉冲爆轰的特点,建立三维两相爆轰的理论模型。应用国际上最近发展起来的CE/SE方法,数值模拟爆轰管内三维两相燃烧转爆轰的过程。计算结果表明:当点火起爆后,在燃烧转爆轰过程中,三维效应非常明显。当形成稳定爆轰波后,三维效应不明显。计算压力值和实验压力值符合得较好。     

连续旋转爆轰发动机冷流场的混合特性研究

连续旋转爆轰发动机（CRDE）中燃料和氧化剂的快速掺混是实现爆轰波成功起爆和稳定传播的重要前提,然而目前国际上关于这方面的研究还相对较少。本文采用大涡模拟（LES）方法,对非预混CRDE中燃料和氧化剂的混合过程及其主要机理开展深入研究。研究结果表明,非预混CRDE流场中存在欠膨胀特征、大尺度涡结构,以及回流区等复杂的流动现象,其中由于Kelvin-Helmholtz（K-H）不稳定性产生的大尺度湍流涡结构是促进氢/氧混合的主要机制。此外,本文还考察了氧气喷注位置对非预混CRDE的流场结构和混合特征的影响,发现氧气喷注位置会影响射流剪切层形态、涡尺度,以及回流区分布等,进而影响氢气和氧气射流的混合过程和混合程度。与其他进气位置相比,氧气在靠近内壁面喷注时更有利于氢/氧的快速掺混。     

基于OpenFOAM的三维H2/Air连续旋转爆轰流场数值模拟

为进一步研究旋转爆轰流场特征,基于开源计算流体动力学软件OpenFOAM,采用9组分19步的基元化学反应模型,对H2/Air连续旋转爆轰流场进行了三维数值模拟,得到了旋转爆轰波稳定传播时燃烧室内部流场的详细结构,研究了燃烧室头部激波的传播特性,分析了旋转爆轰燃烧室的压力增益性能。结果表明:旋转爆轰波后的第一道反射激波在由燃烧室外壁面向内壁面传播过程中反射激波的高度增加并在靠近内壁面附近与滑移线交汇形成局部高温高压区域;旋转爆轰波在外壁面位置处相位约落后于内壁面0.003rad～0.15rad,其相位差随燃烧室曲率差的增加而增大;燃烧室头部反射激波数目受到曲率差和进气总压的影响,燃烧室曲率差增大,反射激波数目减少,进气总压增大,反射激波数目增多;燃烧室压力增益保持在0.3以上,在进气总压一定的条件下,压力增益随着燃烧室曲率差的增大有增加的趋势。研究结果揭示了三维旋转爆轰流场的精细结构和燃烧室头部激波的传播规律。     

基于煤油燃料的斜爆轰发动机性能数值模拟

针对马赫数为8以上高超声速飞行器的应用问题,采用11组分-10反应步的煤油/空气化学反应动力学模型,对不同来流及燃料喷注条件下的斜爆轰模型发动机进行数值研究,获得其对燃烧室内起爆驻定、爆轰波波面结构及推进性能的影响规律。研究结果表明:燃烧室入口马赫数为4.3时,超声速来流与壁面边界层作用加速了点火起爆过程,爆轰波在短时间内驻定。随着来流速度增大,爆轰波驻定位置更靠近燃烧室下游,爆轰波与边界层相互作用产生分离泡导致斜爆轰发动机推力显著降低。燃料当量比的变化直接影响爆轰波波面结构,减小当量比使得斜爆轰波稳定性降低,光滑的波面转变为“锯齿”状结构,具有该结构的爆轰波流场会显著降低发动机推进性能。      

预爆管爆震波衍射特性数值研究

为了实现预爆管出口爆震波向主爆管的成功传播,针对预爆管出口不同几何形状,开展了数值模拟研究,获得了爆震波从预爆管向主爆管传播的衍射特性.研究表明:当预爆管出口为直喷管时,不能实现向预爆管出口截面上游传播的爆震燃烧;当预爆管出口扩张角为45°时,可以实现爆震波在主爆管内向衍射面上、下游传播,研究结果获得的爆震波衍射特性得到了试验验证.      

气相爆震波衍射现象的数值研究

对不同条件下气相爆震波在突扩管道和带扩散段管道中的衍射过程进行了数值研究.结果表明:起爆管的直径和临界爆震管直径对爆震波能否成功衍射传入主爆管起到决定性的作用.壁面反射激波与爆震波相互作用在邻近壁面处产生高温、高压区域,有助于减少爆震的诱导时间以及横波间距.扩散段扩散角越小时,反射激波强度越大.高强度的反射激波会将爆震波分为3段,在分界点处产生高温、高压点,对爆震波的衍射传播起到支持作用.      

共振型PDE谐振腔喷嘴匹配关系研究

在数值模拟的基础上分析了两种不同形状的喷嘴:细长孔喷嘴(或称狭缝喷嘴)和环形喷嘴对于射流碰撞和激波形成以及聚焦的影响.在此基础上又以环形喷嘴为例,分析了喷嘴尺寸对于射流碰撞和激波形成聚焦的影响,得出环形喷嘴相对于细长孔喷嘴具有更好的聚焦效果,以及有效利用激波起爆爆震波的喷嘴与谐振腔的几何匹配关系.      

脉冲爆震火箭发动机喷管构型数值研究

利用准1维模型对带喷管和不带喷管脉冲爆震火箭发动机(PDRE)模型的工作过程进行了数值仿真,研究了喷管构型对单次爆震过程流动以及排气性能的影响。结果表明,带有收敛扩张喷管和收敛喷管PDRE的内部流场比不带喷管和带扩张喷管PDRE的更为复杂。在爆震管完全填充的条件下,各种构型的喷管都能使PDRE性能增益,而收敛喷管使PDRE性能增益最大。但是,带收敛喷管PDRE的比冲仍远低于热力循环理论值,因而优化喷管设计具有进一步提高比冲的潜力。     

引射器形式对脉冲爆震发动机性能的影响分析

为了研究引射器结构形式对脉冲爆震发动机性能的影响,以氢气和氧气混合物为例,采用数值计算方法,对加装收敛、扩张和收扩型三种引射器的脉冲爆震发动机进行了数值模拟,并对其性能进行了比较与分析.计算结果表明,只有收扩型引射器能起到增推作用.同时,将二次流率与增推比相比较,发现二者成正比关系.研究结果对脉冲爆震发动机设计中引射器的选型具有一定的参考意义.     

部分充填下脉冲爆震发动机的热力循环性能分析

在完全充填脉冲爆震发动机的Ficket-Jacobs热力循环的基础上,提出了用于分析部分充填下脉冲爆震发动机的热力循环性能的分析方法.结果表明,部分充填的工作方式会降低发动机总的热力循环效率,当爆震燃烧用于功率输出时,这种工作形式是应该避免的;但另一方面,由于部分充填的工作方式使爆震燃烧释放的能量在燃烧产物和隔离气体间重新分配,这种工作形式可以提高脉冲爆震发动机的总效率.      

非预混喷注对旋转爆震发动机影响的数值研究

为了研究真实情况下非预混喷注对旋转爆震发动机工作过程的影响,采用氢氧7组分8步化学反应的基元反应模型,忽略黏性、热传导和扩散等输运效应。对真实情况下燃料(H₂)和氧化剂(Air)分开喷注的旋转爆轰发动机进行三维数值模拟,深入分析了非预混条件下的旋转爆震波流场结构,探讨了燃料喷注方式对发动机性能的影响。计算结果表明:本文方法可有效模拟燃料与氧化剂非预混喷注的旋转爆震波流场。在给定的计算条件下,不同喷注方式发动机的爆震波平均传播速度大约为1640~1840 m/s;平均推力为90~100 N;基于混合物的比冲为820~900 m/s。随着燃料喷注位置的前移,发动机性能明显提高;燃料喷注角度对发动机性能影响较小,随着喷注角度的减小,发动机性能逐渐提高,提高幅度较小;燃料双侧喷注的性能明显优于单侧喷注。旋转爆震发动机的性能与燃料/氧化剂的冷流掺混效果成正比。     

环形射流初始压力对激波聚焦起爆的影响分析

为了研究射流入射压力对环形激波聚焦爆震起爆的影响,以氢气和空气混合物为例,对不同射流入射压力下环形激波聚焦爆震起爆过程进行了数值模拟,结果表明,当环形射流入射强度足够大时,其形成的激波聚焦能够形成高温、高压区域,从而直接起爆爆震波;爆震管推力壁对激波具有反射加强作用,有助于爆震波的形成;环形射流入射压力存在一个临界值,低于此值时,则不能起爆爆震波.      

环形脉冲爆震发动机引射性能

采用解析方法得出爆震波在爆震管内的参数分布,应用数值方法对爆震波衰退为激波后的传播、排除过程进行了多循环模拟.通过对环形爆震管非稳态引射过程的分析,得出非稳态引射过程可以分成四个阶段,环形爆震管比传统的圆形爆震管的引射作用更强.不同结构参数的引射喷管对环形爆震管的引射增推性能不同,经过分析,得到了较佳的引射喷管的入口尺寸,内表面形状、长度/直径比以及轴向位置,为提高脉冲爆震发动机的性能提供参考.