激波聚焦爆震燃燒的數(shù)值模擬范文

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《航空動力學(xué)報》2014年第九期

1模型及計算方法

1．1物理模型與文獻［11－12］中介紹的環(huán)形進口凹腔不同，為了研究航空煤油的激波聚焦誘導(dǎo)點火脈沖爆震，文本設(shè)計了一個含障礙物斜向環(huán)形進氣的凹腔聚焦爆震管，其二維剖面如圖1所示，凹腔壁型線為y＝－113．04x4＋18．404x3＋2．2595x2＋0．4422x＋0．0001，其中尖點處為坐標原點．由于航空煤油的成分比較復(fù)雜，本文以正癸烷（C12H23）作為替代燃料，探索其氣液兩相聚焦誘導(dǎo)爆震燃燒過程，其工作分成兩部分，原理如下：首先油氣混合物填充爆震管，油氣是否充分混合對爆震起爆有著至關(guān)重要的影響；然后混合氣（C12H23－空氣質(zhì)量當量比為1）再以高馬赫數(shù)從環(huán)形噴管斜向入射進入爆震管，在軸線上相互碰撞形成反射激波；反射激波在拋物型凹腔壁面限制下聚焦，形成高能點火區(qū)，進而形成爆震波．含障礙物二維凹腔聚焦爆震管的整體計算網(wǎng)格數(shù)量約為15萬．

1．2氣液混合模型及邊界條件

由于實際應(yīng)用中的體積和質(zhì)量限制，脈沖爆震發(fā)動機需要采用液體燃料，燃油、氧化劑只能在發(fā)動機內(nèi)部霧化和混合．因此．混合室中燃油、空氣的噴油、進氣方式是發(fā)動機成功起爆的關(guān)鍵之一．通過求解三維N－S方程和標準k－ε湍流模型來分析混合室中燃油、空氣的混合流動特性．計算中耦合液相與氣相的相互影響．圖1中噴嘴處噴入的是液態(tài)燃油，流量為0．01kg／s，噴射方向與進口垂直；從進口噴入空氣，空氣流量為0．1kg／s；爆震管出口為無反射的壓力出口邊界條件，壓力設(shè)為定值101325Pa；爆震管內(nèi)初始條件為常溫、常壓（T＝300K，p＝101325Pa）．

1．3燃燒反應(yīng)模型及邊界條件

通常化學(xué)反應(yīng)模型主要有兩類：多步反應(yīng)模型和基元反應(yīng)模型．前者針對體系的化學(xué)反應(yīng)人為地進行了線性化處理，使計算效率得到了提高；后者本身具有更高的計算精度．為了精確揭示爆震起爆的細節(jié)，C12H23－空氣的化學(xué)反應(yīng)采用了包含17種組分（C12H23，O2，H，H2，NH，O，HO2，NO，OH，H2O，CO，CO2，CH，C2H2，N2，N，N2O）30個反應(yīng)的基元反應(yīng)模型，詳細反應(yīng)機理如表1所示（表中符號的具體含義詳見文獻［13］）．采用非穩(wěn)態(tài)二維軸對稱N－S方程，湍流模型采用標準k－ε模型，壁面采用無滑移條件和絕熱條件．入口采用超聲速的壓力遠場邊界條件，給定來流的馬赫數(shù)為3．5．出口為無反射的壓力出口邊界條件，壓力設(shè)為定值101325Pa．采用有限體積方法對控制方程進行空間離散，應(yīng)用對瞬態(tài)問題有著明顯優(yōu)勢的PISO（pres－sureimplicitsplit－operator）算法［14－16］．時間步長采用適應(yīng)性時間推進，最小時間步長為10－11s，最大時間步長為10－7s．

2結(jié)果分析

2．1算例驗證數(shù)值模擬采用CFD商用軟件FLUENT，為了驗證本文所選用的湍流模型、反應(yīng)模型及數(shù)值方法的計算精度，首先模擬計算了燃料甲烷的脈沖爆震過程，計算結(jié)果如圖2所示，與理論值相比［1］，計算給出的甲烷爆震燃燒的爆震波速度及爆震波壓力相對誤差均在5％之內(nèi)．由此可以得出，本文選用的湍流模型、反應(yīng)模型和數(shù)值算法能夠用來模擬爆震燃燒問題，并且計算結(jié)果是可信的．

2．2油氣混合結(jié)果分析圖3所示的是混合好的油氣分布云圖，如圖所示，在大部分區(qū)域煤油的質(zhì)量分數(shù)在0．075左右，分布相當均勻，質(zhì)量當量比略大于1．

2．3誘爆到爆燃過程分析激波聚焦過程中溫度隨時間變化的云圖如圖4所示，可以看出，混合流體（C12H23－空氣）由環(huán)形入射管以射流形式進入爆震管凹腔后，由于內(nèi)外壓差的作用，產(chǎn)生一道沿射流方向的入射激波，在擴散作用下，激波強度逐漸減弱，但在射流方向上，由于入射流體不斷地向前擠壓，激波陣面的溫度和壓力不斷增大．當t＝1．163ms時，激波以橢圓波形從周圍向軸線處發(fā)展，并在軸線處發(fā)生碰撞．在碰撞點處，由于滯止效應(yīng)，速度降低，壓力和溫度迅速升高，達到16MPa和856K．隨之碰撞后的激波以橢球形狀向四周發(fā)展（如圖4（c）t＝1．192ms時所示），在碰撞點處的高溫高壓點一分為二，形成橢球形激波的兩個頂點，分別向凹腔尖點和出口運動．向凹腔尖點運動的左行激波受到凹腔的壓縮，溫度與壓力不斷升高，同時由于斜向入射射流方向的激波與對撞產(chǎn)生的激波不斷疊加，使得左行激波的溫度和壓力鋒面迅速升高．可以看到左行激波由一開始的常規(guī)反射，在t1．205ms時衍變成馬赫反射，隨著壓力與溫度的進一步升高，馬赫桿突出變形，并在t＝1．285ms時，左行激波在凹腔底部聚焦，尖點處溫度上升到1000K左右（如圖4所示），此時在凹腔底部有水生成，說明發(fā)生了燃燒．然而，向爆震管出口運動的右行膨脹波由于缺乏后續(xù)能量的支持，漸漸變?nèi)酰畯膱D5也可以看出，在t＝1．285ms時刻之后，雖然尖點處已經(jīng)有水生成，但是沒有誘導(dǎo)出爆震燃燒．然而，此時壓縮到凹腔底部的左行激波的反射激波在凹腔壁面的作用下，在t＝1．325～1．425ms的時間間隔內(nèi)在凹腔壁面處出現(xiàn)大片的高能區(qū)（如圖6所示），伴隨著一定水產(chǎn)生，此時才開始了真正意義上的燃燒，出現(xiàn)了火焰鋒面．當t＝1．455ms時，反射激波的火焰鋒面到達第1個障礙物，在激波和障礙物的相互作用下，反射激波變形成弧狀反射激波，和火焰鋒面一起產(chǎn)生高溫高壓區(qū)，加劇了燃燒反應(yīng)強度，并向爆震管中心軸線擴散，促使整個管內(nèi)的充分燃燒，這對形成穩(wěn)定的平面爆震、縮減DDT距離有很重要的影響．當t＝1．618ms，x＝0．5m時，前導(dǎo)激波溫度維持在2950K左右，壓力峰值在1．62MPa，傳播速度約為1900m／s，火焰陣面、壓力陣面和溫度陣面耦合在一起，可以看到明顯的強間斷面，形成充分穩(wěn)定的平面爆震燃燒，并且C12H23得到充分的反應(yīng)，這一點可以從圖7中得以證明．圖8所示為從軸線碰撞開始馬赫數(shù)隨時間變化云圖．t＝1．160ms可以看到明顯的入射激波，碰撞之后，左行激波得到加強，右行激波逐漸減弱，直至t＝1．518ms時，反射激波追上最初的右行激波，形成激波強斷面，t＝1．709ms時，可以看到明顯的超聲速燃燒的強斷面爆震波．由于障礙物的作用，爆震管多個局部點處形成了高速區(qū)．圖9～圖11所示分別為爆震燃燒形成過中中心軸線上的速度、溫度、H2O和C12H23質(zhì)量分數(shù)的分布情況．從圖中可以看出在x＝0．4m左右形成了穩(wěn)定的自持爆震燃燒鋒面，爆震燃燒速度為1900m／s左右，溫度保持在2950K左右，燃燒基本充分．

3爆震管相關(guān)方案的比較分析

為了探索本文所設(shè)計的爆震管結(jié)構(gòu)對氣液兩相爆震燃燒的影響，在相同的邊界條件和初始條件下，分別探討了有無障礙物和凹腔結(jié)構(gòu)對氣液兩相爆震燃燒的影響．

3．1無障礙物情況當本文所設(shè)計的爆震管內(nèi)沒有障礙物時，氣液兩相的燃燒模擬結(jié)果如圖12所示．可以看出，無障礙物的反應(yīng)和有障礙物時基本上是一致的，即發(fā)生了激波誘導(dǎo)點火．然而，隨后的燃燒過程卻相差很大，由于缺少了障礙物對凹腔內(nèi)反射激波的再反射作用，從而沒有形成弧狀反射激波，也能形成穩(wěn)定的高溫高壓爆震燃燒點，只是形成了普通的燃燒過程．

3．2圓頭聚焦腔當本文所設(shè)計的爆震管凹腔頭部為圓頭時，氣液兩相的燃燒模擬結(jié)果如圖13所示．可以看出在圓頭聚焦腔的爆震管中，凹腔內(nèi)的最高溫度只達到1000K左右，聚焦能量明顯不足以點燃油氣混合物，即沒有形成激波誘導(dǎo)點火．

3．3拋物線型聚焦腔當本文所設(shè)計的爆震管凹腔為拋物線型聚焦腔時，氣液兩相的燃燒模擬結(jié)果如圖14所示．可以看出該結(jié)構(gòu)也沒能形成典型的具有強間斷面的爆震燃燒，雖然誘導(dǎo)點火成功，但隨后的燃燒過程只是緩燃現(xiàn)象．

4結(jié)論

本文對激波聚焦誘導(dǎo)緩燃向爆震轉(zhuǎn)變的氣液兩相燃燒進行了數(shù)值模擬．結(jié)果表明所設(shè)計的凹腔壁面的反射作用以及障礙物的再反射作用對氣液兩相的爆震燃燒形成有著很大的意義．凹腔壁面的曲率大、截面面積變化較快，激波聚焦過程中的溫度和壓力增長較快，聚焦點處能量較高，聚焦后反射的激波經(jīng)凹腔壁面又產(chǎn)生了復(fù)雜的激波反射，激發(fā)出更高的高能區(qū)，比拋物線型壁面更有利于爆震燃燒的形成．與無障礙物的爆震管相比，本文給出的障礙物構(gòu)型能夠在較短的距離內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的爆震波，激波的反射與再反射能夠大大提高局部區(qū)域的反應(yīng)速率，并促使反應(yīng)能量的快速釋放，形成穩(wěn)定的爆震燃燒過程，縮短了DDT距離和反應(yīng)時間．需要說明的是，由于本文采用的爆震管凹腔的頂部是尖頭的，導(dǎo)致燃燒的過程中尖點壓力過大，這對材料結(jié)構(gòu)強度及冷卻提出了很高的要求，如要應(yīng)用于工程實踐，還需進一步探討研究．

作者：楊青李志強邸亞超許歡單位：北京航空航天大學(xué)能源與動力工程學(xué)院航空發(fā)動機氣動熱力國家級重點實驗室