吸气式旋转爆轰发动机冷流掺混数值模拟研究.pdf
《吸气式旋转爆轰发动机冷流掺混数值模拟研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《吸气式旋转爆轰发动机冷流掺混数值模拟研究.pdf(10页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 卷第 期 年 月弹道学报 .收稿日期:基金项目:瞬态物理国家重点实验室基金()作者简介:曹琦()男硕士生研究方向为爆轰推进:.通信作者:郑权()男副研究员硕士生导师研究方向为爆轰推进:.:./.()吸气式旋转爆轰发动机冷流掺混数值模拟研究曹 琦郑 权肖 强冯文康翁春生续 晗(南京理工大学 瞬态物理国家重点实验室江苏 南京)摘要:燃料的掺混均匀度是爆轰发动机起爆和爆轰波稳定传播的主要影响因素之一 为了探究不同燃烧室结构对吸气式旋转爆轰发动机内燃料与氧化剂掺混效果的影响开展了爆轰发动机冷态流场三维数值模拟 采用密度基隐式格式求解三维 方程以小孔进行燃料喷注的吸气式旋转爆轰发动机为模型保持空气/
2、乙烯的来流条件不变分析了燃烧室入口扩张方式、凹腔燃烧室结构以及阻塞比对冷态流场掺混效果的影响 研究结果表明:燃烧室入口扩张方式的不同会影响超声速气流进入燃烧室形成的反射波结构从而改变回流涡的位置影响空气/乙烯的掺混效果在燃烧室内壁面增加凹腔后燃烧室头部的凹腔区域形成的低速回流区会卷吸流经的气体可明显改善双侧扩张和内侧扩张型燃烧室的掺混效果增加阻塞比空气主流速度降低凹腔内回流涡影响区域增大空气与乙烯在燃烧室内掺混位置前移掺混效果提升关键词:爆轰发动机扩张结构凹腔回流涡冷流掺混中图分类号:.文献标志码:文章编号:()():./.:第 期曹 琦等 吸气式旋转爆轰发动机冷流掺混数值模拟研究 基于爆轰燃
3、烧的旋转爆轰发动机()是一种利用爆轰波在环形燃烧室周向传播而爆轰燃烧产物从尾部排出产生推力的发动机 与传统的发动机相比 熵增小热循环效率高比冲高结构简单具有巨大的工程应用潜力是一种备受青睐的新型发动机旋转爆轰发动机的燃料与氧化剂一般在环形燃烧室内混合经点火起爆发展为爆轰波后在燃烧室内稳定旋转 按照发动机是否携带氧化剂可以将发动机分为火箭式旋转爆轰发动机和吸气式旋转爆轰发动机 火箭式旋转爆轰发动机的燃料和氧化剂均由自身携带经过小孔或环缝进入燃烧室 吸气式旋转爆轰发动机只需要携带燃料空气被发动机进气道捕获后经过轴向的隔离段进入环形燃烧室针对吸气式旋转爆轰发动机的研究等使用常温空气验证了旋转爆轰发动
4、机在吸气式工作模态下的可行性 王超等成功开展高总温空气来流的旋转爆轰验证实验并发现旋转爆轰波的反压对高温空气来流有 种不同的作用方式 等在试验中发现爆轰和爆燃两种燃烧状态并且认为外壁面凹腔回流区内燃料与氧化剂的适当掺混是实现旋转爆轰的关键 等和 等在环形燃烧室的内壁面增加凹腔结果表明:增加凹腔有助于传播模态的改变适当增加凹腔深度有助于维持燃烧并提高爆轰波的稳定性 等通过在燃烧室内壁面增加凹腔结构实现了煤油/高温空气的吸气式旋转爆轰发动机点火试验在当量比为.时获得最大传播速度 郑榆山等开展氢燃料旋转爆轰冲压发动机自由射流试验研究实现了爆轰波的稳定自持传播发现随当量比提高爆轰波传播稳定性有所下降
5、学者们对吸气式旋转爆轰发动机的实验研究证明了凹腔结构能够促进旋转爆轰发动机的点火起爆和维持爆轰波的稳定性但对凹腔内部的具体流场发展却未有详细说明目前国内外学者针对旋转爆轰发动机燃料与氧化剂的冷态流场掺混效果展开了大量的数值研究 等采用 对喷注结构的位置和排列方式进行数值研究并引入混合效率对掺混的效果进行定量分析对燃料与氧化剂的喷注结构设计具有一定参考意义 等通过改变喷注参数对燃料与氧化剂的掺混效果影响进行数值研究发现燃烧室内旋转涡对掺混有促进作用徐雪阳等数值分析了喷注结构对冷态流场掺混效果的影响研究结果表明:喷注位置向扩张段前部移动掺混效果随之提高改变燃料喷注角度会明显影响掺混效果双侧孔喷注的
6、掺混效果高于单侧孔喷注 马虎等研究了燃料分布对旋转爆轰波传播模态的影响 研究发现随着掺混均匀度的提高旋转爆震波的传播速度增加传播稳定性明显提高稳定工作的当量比下限从.拓宽至.等对不同进气喉部宽度进行数值研究发现随着质量流量的提升爆轰波传播模态发生改变 等对燃烧室内冷流掺混进行数值研究发现空气来流形成的激波对燃料掺混有重要作用并且发现在确定的来流条件下存在一个最优喷孔数量 上述学者们主要是以火箭式发动机模型为基础从喷注结构、喷注角度等方向开展冷态流场研究但并未发现超声速来流的吸气式旋转爆轰发动机的燃烧室结构对冷态流场影响的相关研究上述研究发现燃料与氧化剂的掺混效果对旋转爆轰发动机的稳定工作影响极
7、大对于吸气式旋转爆轰发动机超声速空气来流在燃烧室内与燃料混合时间极短因此实现燃料/空气的快速高效混合成为发动机发展的关键技术之一 鉴于此本文基于马赫数为、温度为 的空气来流通过改变燃烧室扩张段结构、增加燃烧室凹腔和阻塞比等方式研究了燃烧室结构对吸气式旋转爆轰发动机冷态流场的影响分析了不同结构燃烧室的掺混效果本文研究对吸气式旋转爆轰发动机的燃烧室结构设计具有一定的参考借鉴意义 计算模型与方法.物理模型与边界条件旋转爆轰发动机的推进剂喷注一般采用小孔或环缝结构本文采用小孔进行燃料喷注其三维模型如图 所示 超声速高温空气经过隔离段进入扩张段在扩张段内外壁面分别均匀分布 个小孔喷注乙烯来流空气与乙烯在
8、扩张段内开始掺混并在燃烧室内进一步混合后进行爆轰燃烧为了探究燃烧室结构对燃料与氧化剂掺混效果的影响本文分别对常规环形燃烧室、凹腔燃烧室和增加阻塞比的燃烧室的冷态流场开展三维数值研究 图 为 种不同扩张段的燃烧室任一小孔中心的截面图其中隔离段长度 隔离段宽度 扩张段长度 燃烧室长度 喷管长度 凹腔长度 弹道学报第 卷 凹腔深度 燃烧室内外径长度分别为 、图 燃烧室结构示意图 图 不同燃烧室结构截面尺寸示意图 吸气式旋转爆轰发动机几何结构符合周期性对称双侧喷注内外各 个喷注孔为了节省计算资源数值计算选取整个圆周的/进行计算如图 局部放大图所示 乙烯和空气均采用压力入口边界条件入口总压和总温分别为
9、燃烧室出口为压力出口边界 具体边界条件参数如表 所示 其中忽略流场部分区域随机性扰动导致的流动差异圆周两截面为对称边界条件其余壁面均为无滑移壁面边界条件 在计算初始化中隔离段、扩张段、燃烧室计算区域内均填充、.的空气表 冷流掺混边界条件 /.数值方法本文采用商业软件 基于理想气体假设对吸气式旋转爆轰发动机冷态流场进行求解计算 关于旋转爆轰发动机冷态流场数值仿真已有大量研究采用剪切应力输运()模型开展数值模拟 鉴于这些学者得出的结论采用剪切应力输运 模型足以求解流场中的激波、膨胀波等流场结构 方程对流项采用二阶迎风格式离散物理通量采用 方法进行分解.网格无关性及计算收敛验证计算流场内均为六面体结
10、构性网格为了适应湍流模型与捕获激波的需求对网格的边界层和喷注口位置网格进行局部加密 考虑计算精度和计算成本因素对网格尺寸无关性和计算收敛性进行验证结果如图 所示图 网格无关性及迭代步数验证 第 期曹 琦等 吸气式旋转爆轰发动机冷流掺混数值模拟研究图()是双侧扩张模型在计算收敛后燃烧室中线位置的马赫数分布从图中可以看出当网格总数达到 万时可满足本文计算精度要求 本文计算中只涉及流体运动无化学反应故根据燃烧室内监测点压力波动进行计算收敛性判别 由图()可知在迭代步数为 万步时监测点的压力趋于稳定可认为计算结果已收敛 计算结果与分析.常规环形燃烧室掺混效果分析图 为 种不同扩张结构常规环形燃烧室的马
11、赫数图和速度流线图 从图中可以看出超声速高温空气从隔离段进入扩张段时产生膨胀波空气速度提高并向扩张方向发生偏转在流经乙烯横向射流时受到激波的作用空气流动方向再一次发生偏转进入燃烧室时由于转向在壁面产生新的激波并沿流向不断反射形成复杂的波系结构 对比图 的流场结构可以看出扩张结构对燃烧室内回流区的形状及大小存在一定的影响图 不同扩张结构常规环形燃烧室的马赫数分布和速度流线 对比 种扩张结构的马赫数图和速度流线图工况 和工况 在扩张侧的壁面附近形成一个声速流动区域但是未形成回流涡 进入燃烧室后工况 首先在内壁面 处形成包含多个漩涡的低速回流区域 外壁面由于反射激波导致边界层在 处分离形成回流涡 工
12、况 在 位置于外壁面形成一个延伸至燃烧室出口的回流区域 内壁面未产生大回流区域的原因可能是由于环形燃烧室的外壁面表面面积大于内壁面表面积流动摩擦损失更大此结构导致外壁面处的边界层更容易分离 工况 在 位置于内壁面形成了一个延伸至燃烧室出口的回流区 在外壁面形成了两个小回流区、对比 种工况的空气主流工况 中的空气主流在 处受到斜激波作用速度开始明显下降并且空气主流形成的激波串在燃烧室 处消失燃烧室尾部的流速变为亚音速流动工况 和工况 的空气主流在 位置马赫数降至 以下空气主流形成的激波串一直延伸至燃烧室出口壁面之间反射的激波导致壁面边界层分离形成、等微小回流区域图 为扩张结构对燃烧室内乙烯质量分
13、数的影响 图 左侧部分为燃烧室轴向乙烯质量分数的切片图起点为扩张段出口 处切片间距为 从图中可以看出在前两个切片即轴向距离小于 内 种工况的掺混效果均较差但是工况 外壁面和工况 内壁面的乙烯在燃烧室周向方向存在明显的扩散现象这是受到乙烯喷注口背风侧形成的低速流动区的影响 工况 内壁面在 处乙烯开始扩散外壁面的乙烯在 处掺混效果明显提升工况 在 之前区域乙烯与空气分界明显乙烯主流未与燃烧室壁面产生大面积碰撞乙烯主流主要通过周向扩散与空气进行掺混在 之后内外壁面喷注的乙烯在燃烧室中线附近发生接触空气和乙烯掺混效果提升在工况 中外壁面喷注的乙烯主流向内壁面流动并与四周环绕的空气进行掺混内侧喷注的乙烯
14、在 附近与内壁面碰撞后产生偏向外壁面的速度分量开始逐渐向外壁面扩散图 右侧为乙烯喷注小孔中心的质量分数截面图从图中可知工况 中乙烯的扩散效果最好在 位置内外壁面喷注的乙烯主流已充分与高温空气进行掺混 工况 和工况 在 位置乙烯主流质量分数才降低至.但两种结构燃烧室径向方向上乙烯质量分数依然不均匀尤其是工况 在燃烧室轴向中部存在明显分界线弹道学报第 卷图 不同扩张结构常规环形燃烧室内乙烯质量分数 结合图 分析发现乙烯主流扩散的位置与燃烧室壁面产生斜激波的位置重合斜激波使经过的流体速度降低促进乙烯/空气的掺混 同时壁面边界层分离形成的回流区域会卷吸流经的乙烯/空气所以斜激波产生位置和回流区域的大小
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 吸气 旋转 发动机 冷流 数值 模拟 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。