旋轉(zhuǎn)爆轟流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及自持傳播機(jī)理的數(shù)值研究.pdf

1、旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)(RDE)是一種新型的爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)。在推進(jìn)方面,旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)具備了脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)和駐定爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的某些優(yōu)點(diǎn),既可以零起動(dòng),又沒(méi)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(yīng)用前景。本文的目的是通過(guò)數(shù)值模擬,研究旋轉(zhuǎn)爆轟的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和傳播機(jī)理,并討論RDE的推進(jìn)性能。數(shù)值計(jì)算基于帶化學(xué)反應(yīng)的二維和三維Euler方程,采用8組元和48個(gè)可逆化學(xué)反應(yīng)的基元反應(yīng)模型,對(duì)氣相氫氣/氧氣/氮?dú)庀到y(tǒng)(2H2+O2+7.3N2

2、)的旋轉(zhuǎn)爆轟在圓環(huán)形燃燒室內(nèi)的傳播過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。利用附加半隱的龍格庫(kù)塔法對(duì)控制方程全耦合求解,并處理化學(xué)反應(yīng)造成的剛性問(wèn)題:采用五階精度的WENO格式對(duì)對(duì)流項(xiàng)進(jìn)行離散。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,詳細(xì)闡述了旋轉(zhuǎn)爆轟的流場(chǎng)結(jié)構(gòu),分析了旋轉(zhuǎn)爆轟自持傳播的機(jī)理,并討論RDE的推進(jìn)性能,同時(shí)簡(jiǎn)單分析了燃燒室在部分充填燃料條件下的旋轉(zhuǎn)爆轟流場(chǎng)的變化。結(jié)果表明：
　　 ⑴旋轉(zhuǎn)爆轟子爆轟波與斜激波相連,形成爆轟一激波的復(fù)合波。旋轉(zhuǎn)爆轟具有非受限爆轟

3、的特征,引起了旋轉(zhuǎn)爆轟參數(shù)的虧損。典型的旋轉(zhuǎn)爆轟流場(chǎng)可分成四個(gè)部分,分別為:新鮮氣體區(qū),爆轟一激波復(fù)合波前的已燃燒氣體區(qū),激波后被壓縮的已燃?xì)怏w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(shí),由于燃燒室壁面斂散性,導(dǎo)致了爆轟流場(chǎng)在徑向分布不均衡。沿徑向,爆轟強(qiáng)度逐漸增強(qiáng),在圓環(huán)凹壁面?zhèn)缺Z陣面的溫度、壓力和化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度均高于凸壁面?zhèn)?。旋轉(zhuǎn)爆轟在傳播過(guò)程中,內(nèi)外壁面附近爆轟陣面交替領(lǐng)先,爆轟波傳

4、播速度呈現(xiàn)出周期性振蕩的特點(diǎn),旋轉(zhuǎn)爆轟具有動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的特性。總體來(lái)看,旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)爆轟波具有穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)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?xì)?爆轟波能夠在該區(qū)域穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。爆轟波陣面只與燃燒室內(nèi)壁面和進(jìn)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(fù)雜波系。旋轉(zhuǎn)爆轟產(chǎn)物在離心力、膨脹力和激波等的共同作用