脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)噴管出口外流場(chǎng)的數(shù)值模擬.doc

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1、脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)噴管出口外流場(chǎng)的數(shù)值模擬*董剛，Email:dgvehicle@yahoo.com,Fax:025-84315652,Tel:025-84303236董剛，于陸軍，范寶春（南京理工大學(xué)瞬態(tài)物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京，210094）摘要：采用帶化學(xué)反應(yīng)的多組分Euler方程，對(duì)脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)（PDE）噴管形狀的外流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬。采用高速陰影光學(xué)顯示技術(shù)拍攝了PDE外流場(chǎng)的照片，對(duì)數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行了驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，考察了不同噴管形狀對(duì)爆轟波溢出后的外流場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)演變規(guī)律的影響，分析討論了渦環(huán)與激波的相互作

2、用過(guò)程。關(guān)鍵詞：脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)，外流場(chǎng)，懸吊激波，渦環(huán)，數(shù)值模擬引言脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)(pulsedetonationengine，PDE)是通過(guò)爆轟釋放能量并產(chǎn)生推力的一種動(dòng)力裝置。由于爆轟是近似等容的燃燒過(guò)程，因而具有很高的熱效率。此外，沒(méi)有壓縮機(jī)和渦輪的PDE還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，重量輕等優(yōu)點(diǎn)，故可望成為新一代航空飛行器的動(dòng)力裝置。人們對(duì)PDE已經(jīng)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究，包括點(diǎn)火方式、爆燃轉(zhuǎn)爆轟(deflagrationtodetonationtransition,DDT)過(guò)程以及管內(nèi)外流場(chǎng)等[1-4]。爆轟波溢出

3、管口后，管口的膨脹波向管內(nèi)傳播，最終會(huì)導(dǎo)致推力的下降，此外，管外復(fù)雜流場(chǎng)中的渦與激波的作用，還會(huì)導(dǎo)致推力的振蕩。因此，研究爆轟管內(nèi)外流場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)、變化過(guò)程以及對(duì)推力的影響對(duì)于PDE的研究是有意義的。Daniel等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究了爆轟管出口外流場(chǎng)的發(fā)展規(guī)律，闡述了管外流場(chǎng)在初始發(fā)展階段的動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)，但沒(méi)有討論特有的懸吊激波。Zhang等人[6]則通過(guò)數(shù)值模擬的方法，對(duì)單管和多管爆轟管的出口復(fù)雜流場(chǎng)進(jìn)行了討論，預(yù)測(cè)了懸吊激波的存在。但關(guān)于爆轟波管外流場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)和流場(chǎng)中懸吊激波的產(chǎn)生和發(fā)展的研究，以及噴管出口

4、形狀對(duì)外流場(chǎng)的影響等，則迄今尚未見(jiàn)細(xì)致的文獻(xiàn)報(bào)道。本文通過(guò)數(shù)值模擬的方法，在PDE爆轟管內(nèi)形成爆轟波以及爆轟波傳播并泄出管外的過(guò)程，研究了PDE不同噴管形狀對(duì)泄出工質(zhì)形成了外流場(chǎng)的影響，討論了外流場(chǎng)特有的激波、渦環(huán)以及它們相互作用的過(guò)程。1計(jì)算方法采用二維軸對(duì)稱的、帶化學(xué)反應(yīng)的NavierStokes方程求解(1)其中U為待求解向量，F(xiàn)和G分別為x和y方向的對(duì)流項(xiàng)向量，W為軸對(duì)稱修正向量，S為化學(xué)反應(yīng)源項(xiàng)向量。計(jì)算時(shí)采用分裂算法，即，將控制方程中的流動(dòng)過(guò)程和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程解耦，在一個(gè)計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)，可以看成是由凍結(jié)化學(xué)反應(yīng)的

5、流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算和沒(méi)有流動(dòng)作用的化學(xué)反應(yīng)計(jì)算組成。先通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)步的計(jì)算，得到新的流場(chǎng)參數(shù)，利用該參數(shù)，再進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)步的計(jì)算，從而得到一個(gè)完整的化學(xué)反應(yīng)流動(dòng)的新參數(shù)。流體動(dòng)力學(xué)步的計(jì)算采用波傳播算法[7]，化學(xué)反應(yīng)步則采用隱式Gear算法。計(jì)算區(qū)域采用二維軸對(duì)稱形式（如圖1），在爆轟管封閉端（左端）點(diǎn)火引爆，形成的穩(wěn)定爆轟波在管內(nèi)向右傳播，經(jīng)過(guò)有一定擴(kuò)張角度的噴管后溢出。管壁采用了無(wú)滑移的絕熱剛性固壁邊界條件，外流場(chǎng)為自由邊界，隨著計(jì)算的進(jìn)行，外流場(chǎng)不斷向外擴(kuò)展，因此該自由邊界可以不斷擴(kuò)大，新的網(wǎng)格不斷加入。計(jì)算初始時(shí)計(jì)

6、算域總網(wǎng)格數(shù)為55,000，到計(jì)算終了時(shí)，總網(wǎng)格數(shù)量為380,500。網(wǎng)格尺寸為。圖1數(shù)值模擬的計(jì)算域計(jì)算中采用無(wú)量綱量，特征壓力為p0=1.01325×105Pa，特征溫度為T0=298.15K，特征長(zhǎng)度為l0=0.05m。初始時(shí)刻，爆轟管內(nèi)充滿等當(dāng)量比H2/空氣預(yù)混氣，其無(wú)量綱溫度和無(wú)量綱壓力均為1.0。為了適時(shí)形成爆轟，左端點(diǎn)火區(qū)的初始溫度和壓力分別定為7.0和5.0。爆轟管外為空氣，其初始無(wú)量綱溫度和無(wú)量綱壓力也均為1.0。計(jì)算使用了H2/O2/N2詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，包含了14個(gè)基元反應(yīng)和9種組分[8]。2計(jì)算結(jié)果

7、與討論2.1實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證采用高速攝影系統(tǒng)拍攝了爆轟波泄出爆轟管后的外流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)陰影照片，根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件采用上述計(jì)算方法數(shù)值模擬了外流場(chǎng)的變化。圖2為實(shí)驗(yàn)和計(jì)算的對(duì)比結(jié)果。圖2外流場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)陰影照片（上）和計(jì)算陰影圖（下）的對(duì)比結(jié)果實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果均表明，爆轟波溢出管口后，由于周圍環(huán)境為空氣，缺少維持化學(xué)反應(yīng)的條件，因此爆轟波開(kāi)始衰減并形成球面形的引導(dǎo)激波，引導(dǎo)激波波后為燃燒陣面，即，化學(xué)反應(yīng)已經(jīng)和激波解耦。其中燃燒陣面內(nèi)形成一個(gè)垂直的懸吊激波，懸吊激波的發(fā)展將在下節(jié)作詳細(xì)討論。實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果都能很好地反映引導(dǎo)激波、燃燒陣面以及懸吊

8、激波的發(fā)展變化過(guò)程，表明本文采用的數(shù)值模型和計(jì)算方法是可靠的。2.2噴管出口形狀對(duì)外流場(chǎng)的影響圖3爆轟管噴管形狀15°為討論P(yáng)DE噴管形狀對(duì)外流場(chǎng)的影響，本文選取了兩種不同角度的擴(kuò)張式噴管形狀，如圖3所示。圖4給出了爆轟波從擴(kuò)張角度為15°的噴管溢出時(shí)，管外流場(chǎng)的變化規(guī)律。每張子圖的上半部分代表壓力變化