非预混喷注对旋转爆震发动机影响的数值研究.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaApr．252016Vol37No．41184-1195ISSN1000-6893CN11-1929／Vhttp：Hhkxbbuaa．edu．cnhkxb@buaa．educn非预混喷注对旋转爆震发动机影响的数值研究徐雪阳1，卓长飞1，武晓松1’*，李杰2，马虎11_南京理工大学机械工程学院，南京2100942．豫西工业集团有限公司，南阳473000摘要：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

2、，忽略黏性、热传导和扩散等输运效应。对真实情况下燃料(H：)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，深人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1640～1840m／s；平均推力为90～100N；基于混合物的比冲为820～900m／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

3、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。关键词：旋转爆震；流场结构；喷注方式；数值仿真；发动机性能中图分类号：V235文献标识码：A文章编号：1000—6893(2016)04—1184—12旋转爆震发动机(RotatingDetonationEn—gine，RDE)是一种利用爆震波在环形燃烧室内连续旋转传播的发动机。RDE的概念最早由Voitsekhovskii等口。21于20世纪60年代提出。1966年Nieholls和Adamson等¨‘43完成了

4、RDE可行性验证。与传统的脉冲爆震发动机(PulseDetonationEngine，PDE)相比，RDE除了具有PDE的优点(如热循环效率高、推重比大、比冲大、单位燃料消耗率(SFC)低、工作范围宽、具有吸气式和火箭式2种工作模式)外，还克服了PDE工作频率低(单管一般不超过100Hz)、对点火系统要求高(每个循环都需点火)等缺点。RDE具有比PDE更紧凑的结构，其工作频率可高达数千甚至上万赫兹。RDE在工作过程中只需要一次点火就可以实现爆震波的连续传播，对点火系统依赖度不高。RDE还可通过调节不同周向位置处的反应物质量流率来实

5、现推力矢量控制，这使得旋转爆震发动机具有非常广阔的应用前景。目前，针对连续旋转爆震发动机已经开展了较多的实验和数值计算研究。在实验方面，燃料与氧化剂由不同的喷注器喷注，即采用分别喷注的方式，以防止爆震波引燃预混喷注引起回火现象。俄罗斯[5。6

6、、法国[7]、美国[8-11]、中国[”‘131和波兰[1们等研究机构均开展了相关的实验研究，研究主要着重于实现连续旋转爆震的稳定连续传播，燃烧室构型、实验工况对爆震波工作过程的影响等。由于旋转爆震发动机内流场具有高压、高温、高瞬态等特点，导致对其内流场的实验测量和观收稿El期：2015．0

7、4-27；退修日期：2015．05-26；录用日期：2015．06—30；网络出版时间：2015-07．1014：14网络出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／111929．V20150710．1414001．htmI基金项目：国家自然科学基金(51376091)；国家自然科学青年基金(11402119)*通讯作者Tel．：025·84315456E-mail：nust203@mailnjusteducrl戮用摇武

8、徐雪阳．卓长飞．武晓松．等．非囊混喷注对旋转爆震发动机影响的数值研究￡Jj。航空学报．2016，

9、37(4)：{184．1195XUXY．ZHUOCF．WUXS．eta1．Numericalslmulationofinjectionschemeswithseparatesupplyoffuelandoxidizereffectsonro-tatingdetonationenginefJJ。ActaAeronauticaetAstronautices．nica．2016．37(4)：1184一I195．徐雪阳，等：非预混喷注对旋转爆震发动机影响的数值研究测手段有限。因此，数值模拟是研究旋转爆震发动机不可缺少的辅助工具。目前，对旋

10、转爆震波的二维、三维结构进行了大量数值研究。二维的数值模拟虽能揭示旋转爆震波基本结构，但其忽略了离心力等径向分量的影响。随着计算机能力的提高，诸多学者开展了旋转爆震波的三维模拟，Yi和TuranganEl51采用三维模型，分析了单双波旋转爆震模式对