基于OpenFOAM平臺模擬超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒與輻射耦合效應(yīng).pdf

1、超燃沖壓發(fā)動機(jī)（Scramjet）是高超聲速飛行器推進(jìn)的理想動力裝置，其具有結(jié)構(gòu)簡單、儲運(yùn)方便、穩(wěn)定性好、不攜帶氧化劑、比沖大等優(yōu)點，是一種具有廣闊發(fā)展前景的技術(shù)，在航空航天和國防軍事領(lǐng)域具有重要意義。在超燃沖壓發(fā)動機(jī)的幾大結(jié)構(gòu)中，燃燒室是唯一的主動件也是最重要的結(jié)構(gòu)。而燃燒室內(nèi)壁面熱流和燃?xì)廨椛鋫鳠釋Ρ诿鏌岱雷o(hù)的優(yōu)化設(shè)計和燃燒室內(nèi)超聲速燃燒的穩(wěn)定性有著重要的作用。國外學(xué)者已經(jīng)通過自定義求解器采用解耦算法對不同燃料超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)

2、熱輻射的作用及影響因素做了眾多研究，其結(jié)果表明壁面輻射熱流密度可達(dá)對流熱流密度的33％。我國雖然起步較晚，目前也已在高超聲速進(jìn)氣道、燃燒室內(nèi)點火，高溫下層流穩(wěn)定流中對流與輻射的耦合等方面取得一定研究成果。然而對超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)熱輻射的研究，尤其是超聲速燃燒中燃燒與輻射耦合效應(yīng)的研究仍比較薄弱。
　　閉源商業(yè)CFD軟件中模型修改困難，用戶自定義函數(shù)只能有限的增加其求解功能，不能從源代碼這一根本上完成燃燒和輻射的耦合。另外，商業(yè)

3、軟件通用性較強(qiáng)，靈活性和針對性則欠缺，對新模型（如SEF-PDF）投入應(yīng)用所需時間也遠(yuǎn)長于自定義求解器。因此，本文基于開源OpenFOAM平臺，建立了隨機(jī)歐拉解法（SEF-PDF），并采用Fortran語言編寫了二維P1模型及k-distribution譜帶模型，耦合軟件自帶k-ω SST模型，得到所用自定義求解器，驗證計算燃燒室內(nèi)流動、燃燒、燃?xì)廨椛浜捅诿鎸α骷拜椛錈崃髅芏?，并在燃燒與輻射耦合計算過程中考察輻射與燃燒之間的相互影響。<

4、br>　　采用文獻(xiàn)中以氫氣作為燃料的超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室參數(shù)和計算條件，以燃燒/流動與熱輻射解耦的方式模擬了流場和壁面熱流，與該文獻(xiàn)的結(jié)果（解耦）吻合較好，表明本文相關(guān)模型具有一定的可信度。之后，針對上述算例開展了燃燒/流動與熱輻射的耦合計算，考察了耦合時熱輻射對燃燒和流場參數(shù)及壁面熱流的影響規(guī)律。通過解耦和耦合計算結(jié)果分析表明，解耦條件下壁面最大輻射熱流密度可達(dá)600kW/m2，壁面輻射與對流熱流密度之比最大處可高達(dá)40%，但最大比值

5、的位置與最大輻射熱流位置不一定相同；采用與解耦計算完全相同的條件進(jìn)行耦合計算后發(fā)現(xiàn)燃?xì)庾罡邷囟冉档徒?00K，這可能會影響到燃燒的穩(wěn)定性甚至導(dǎo)致熄火；耦合計算中壁面最大輻射熱流密度為570kW/m2。利用耦合算法考察了燃料速度、燃燒室體積等因素對燃燒效果和壁面輻射熱流密度的影響。由計算結(jié)果可知，隨著燃料入射速度減半，壁面輻射熱流密度降低了8%。燃燒室增大則熱輻射的作用更加顯著，比如體積增大到3.4倍，壁面輻射熱流密度最大值增大42%。<

6、br>　　為了考察熱輻射對點火的影響，采用乙烯為燃料，模擬帶回流區(qū)和節(jié)流閥的燃燒室的流場、燃燒及熱輻射情況。首先模擬了在不同節(jié)流閥高度下燃燒室內(nèi)的流場，探究了節(jié)流閥在固定激波位置和強(qiáng)度、增強(qiáng)摻混方面的作用；同時與文獻(xiàn)中實驗結(jié)果比較，模擬所得不同節(jié)流閥高度下流場壓強(qiáng)與實驗結(jié)果吻合良好，進(jìn)一步驗證所建立求解器對流場模擬的準(zhǔn)確性。采用耦合算法計算了節(jié)流閥高度分別為0和21.84cm時在0.2ms（點火階段）流場內(nèi)溫度、壓力、主要燃燒產(chǎn)物摩爾分