旋轉爆轟流場結構及自持傳播機理的數(shù)值研究.pdf

1、旋轉爆轟發(fā)動機(RDE)是一種新型的爆轟發(fā)動機。在推進方面,旋轉爆轟發(fā)動機同時具備了脈沖爆轟發(fā)動機和駐定爆轟發(fā)動機的某些優(yōu)點,既可以零起動,又沒有出口爆轟產(chǎn)生的噪音,且爆轟產(chǎn)物的污染很小,具有廣闊的應用前景。本文的目的是通過數(shù)值模擬,研究旋轉爆轟的流場結構和傳播機理,并討論RDE的推進性能。數(shù)值計算基于帶化學反應的二維和三維Euler方程,采用8組元和48個可逆化學反應的基元反應模型,對氣相氫氣/氧氣/氮氣系統(tǒng)(2H2+O2+7.3N2

2、)的旋轉爆轟在圓環(huán)形燃燒室內(nèi)的傳播過程進行數(shù)值模擬。利用附加半隱的龍格庫塔法對控制方程全耦合求解,并處理化學反應造成的剛性問題:采用五階精度的WENO格式對對流項進行離散。根據(jù)數(shù)值模擬結果,詳細闡述了旋轉爆轟的流場結構,分析了旋轉爆轟自持傳播的機理,并討論RDE的推進性能,同時簡單分析了燃燒室在部分充填燃料條件下的旋轉爆轟流場的變化。結果表明：
　　 ⑴旋轉爆轟子爆轟波與斜激波相連,形成爆轟一激波的復合波。旋轉爆轟具有非受限爆轟

3、的特征,引起了旋轉爆轟參數(shù)的虧損。典型的旋轉爆轟流場可分成四個部分,分別為:新鮮氣體區(qū),爆轟一激波復合波前的已燃燒氣體區(qū),激波后被壓縮的已燃氣體區(qū),以及緊隨爆轟波之后的高溫高壓的爆轟產(chǎn)物區(qū)。
　　 ⑵爆轟在圓環(huán)形燃燒室內(nèi)傳播時,由于燃燒室壁面斂散性,導致了爆轟流場在徑向分布不均衡。沿徑向,爆轟強度逐漸增強,在圓環(huán)凹壁面?zhèn)缺Z陣面的溫度、壓力和化學反應強度均高于凸壁面?zhèn)?。旋轉爆轟在傳播過程中,內(nèi)外壁面附近爆轟陣面交替領先,爆轟波傳

4、播速度呈現(xiàn)出周期性振蕩的特點,旋轉爆轟具有動態(tài)穩(wěn)定的特性?？傮w來看,旋轉爆轟波沿凹壁面?zhèn)鹊膫鞑ニ俣纫笥谘赝贡诿鎮(zhèn)鹊乃俣?從而使得旋轉爆轟波具有穩(wěn)定的旋轉角速度,爆轟波最終得以在燃燒室內(nèi)自持傳播。
　　 ⑶在燃燒室靠近內(nèi)壁面的圓環(huán)區(qū)域內(nèi)充入可燃氣,爆轟波能夠在該區(qū)域穩(wěn)定旋轉。爆轟波陣面只與燃燒室內(nèi)壁面和進氣端面接觸,其受限程度更低。爆轟波波后,存在由透射激波和反射激波組成的復雜波系。旋轉爆轟產(chǎn)物在離心力、膨脹力和激波等的共同作用