冲爆轰发动机内外流场的动力学结构

第２５卷第３期２００７年０９月

空气动力学学报

ＡＣＴＡＡＥＲＯＤＹＮＡＭＩＣＡＳＩＮＩＣＡ

ｖ０１．２５．Ｎｏ．３

ｓｅＤ．．２００７

文章编号：０２５８．１８２５（２００７１０３—０３５７－０５

单循环脉冲爆轰发动机内外流场的动力学结构

子陆军。范宝春，董

剐，归明月

（南京理工大学瞬态物理实验童，江苏南京２１００９４）

摘要：对脉冲爆轰发动机由高温火团引发的甲烷一空气混合气体爆轰过程和管内、外轴对称流场分布进行散值模拟，考虑了ＣＩｔ，一０２．Ｍ的ｔ９个基元反应和１４种组行。计算结果反映了爆轰管出１：Ｉ靖附近区域的擞波衍射，据环及复杂的涡与激渡相互作用情况等，描绘了管内、外流场的动力学结构。关键词：ＰＤＥ；数值模拟；化学反应机理；动力学结构

中围分类号：００３８１

文献杯识码：＾

０引言

Ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ

脉冲爆轰发动机（ＰｕｌｓｅＥ蟛ｎｅ，简称

ＰＤＥ）是通过爆轰释放能量的一种动力装置。爆轰是快速的等容燃烧过程，具有很高的热效率。ＰＤＥ没有压缩机和涡轮，是一个结构简单的装置，具有花费低，重量轻，性能好等优点，可望成为新一代航空飞行器的动力装置。ＰＤＥ的工作过程为：（１）爆轰管内填充可燃气体；（２）点火后，爆轰波形成，在管内传播；（３）爆轰产物从喷嘴喷出从而提供推力；（４）下次循环所需的新混合气体注入爆轰管内，开始重复（１）到（３）的步骤。通过改变ＰＩ｝Ｅ的循环频率可以有效地调整推力。

Ｈｅｌｍａｎ，Ｓｈｒｅｅｖｅ和Ｅｉｄｅｌｍ姐【１１在１９８６年；｝入现代ＰＤＥ概念，随后人们对此进行了大量的理论和实验研究。Ｍ．Ｃｏｏｐｅｒ，Ｓ．Ｊａｅｋ∞ｎ和Ｊ．Ｅ．ＳｈｅｐｈｅｒｄＬ２１通过实验和理论分析对初始燃料浓度、初始压力、障碍物尺寸对ＤＤＴ（Ｄｅｉｑａｇｒａｔｉｏｎ．ｔｏ－ＤｅｔａｎａｔｉｏｎＴｒａｎｍｔｉｏｎ）时问，ＤＤＴ长度及冲量的影响进行了研究。ｃ．Ｌｉ，Ｋ．ｘｄ目—ｌ山…通过数值模拟，研究了爆轰管几何参数及燃料填充比倒对流动特性和性能趋势的影响，以及爆轰管出口端产生的膨胀渡和膨胀渡抵达封闭端之后反射的膨胀波对管内流场的影响。ｚ．ｃ

Ｚｈａｎｇ，Ｓ．

Ｔ．Ｊｏｈｎ等ＨＪ通过数值模拟对单管、多管爆轰管的出口端复杂流场结构进行了讨论。国内。李辉煌，杨基明等㈨对喷嘴形状及充气比例对ＰＤＥ推进性能进行了研究。

・收穑日期：２０ｔｙｚ一－０１４Ｄ；修订日期：２００６－０２埔．

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基金珂目：国家自然科学基金资助项目（５０３３６０３０）

作者筒舟：于陆军（１卵９－），男，博士研究生。主要从事脒冲爆轰发动执研竞

万方数据　

３５８

空气葫力学学报第２５卷

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在化学反应计算中，组分＾的净生成速率‘Ｉ可

表达如下：

ｏ。＝∑（儿一ｙ７。）（ｂⅡＥｘＡ九一ｋｂ；Ⅱ［以ｎ）

（３）

其中。ｙ’”，Ｈ分别表示第ｉ个基元反应中组分ｌ的正、逆反应计量系数；［五］为组分Ｉ的摩尔浓度；ｂ、Ｉ。分别表示第ｆ个基元反应的正、逆反应速率常数，它们遵循Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ定律：

ｂ＝如‰一（一Ｒ益Ｔ）

（４）

其中如表示第ｆ个正反应的指前因子；岛表示第ｆ个

正反应的温度指数；如表示第ｆ个正反应的活化能。

１．２计算方法

数值计算时，采用分裂算法，将控制方程中的流动过程和化学反应过程解耦，即每个计算时间步长，由冻结化学反应的流体动力学计算和没有流动作用的化学反应计算组成。先通过流体动力学步计算．得到新的流体参数，再利用新参数进行化学反应步计算，从而得到一个完整的化学反应流动的新参数。流体动力学过程的计算是以波传播方法为基础，并把其改为适应多组分反应流的计算，剧性化学反应方程采用隐式Ｇｅａｒ算法求解程序计算。计算时，均采用无量纲量。

本文计算区域如图１所示。区域（ａ）为对称轴上方的ＰＤＥ爆轰管，管长８，高０，５，喷嘴的长度和角度分别为０．８和１５。．区域（ａ）相应的计算阿格数为８００

ｘ

５０；区域（ｂ）的初始计算区域为１．０×２．０，其计算网

格数为５０×１００；区域（ｃ）的初始计算区域为１．４×１，４８，其计算网格数为７０×７４。区域（ｂ）和（ｃ）将可以随着计算的进行而不断地增大。

初始时刻，管内充满温度和压力都为１．０，当量比也为１．０的甲烷空气混合物，喷嘴内和外部区域为温度和压力都为１．０的空气。位于管内左端的点火区为高温高压区，给定初始温度是５．Ｏ、压力为２．５。

万　

方数据壁面都按绝热、无滑移刚性壁面处理，外部区域的边界按开口边界来处理。

图１模拟中所应用的计算域的分布

Ｆｉｇ，ｌ

Ｄｉｍｌｂｅｔｉｏｎ

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ｒｕｅｄｉｎ

ｔｈｅｌｉｍａｌａｆｉｏｎ

２结果和讨论

根据脉冲爆轰发动机工作过程可把爆轰波在爆轰管内、外流场的发展分为三个阶段；（１）爆轰波的形成阶段；（２）爆轰波在管内稳定传播阶段；（３）爆轰波进人外流场，迅速衰减为无反应的激渡阶段。

图２描述爆轰波进人喷嘴后，由于阵面扩张和介

质变化，形成临界激波（ｃｒｉｔｉｃａｌｓｈｏｃｋ【７】）的过程。其中墙激渡（ｗａｌｌｓｈｏｃｋ）指折角处发生衍射后，因扰动而变形衰减的激渡。爆轰波进入喷嘴后，因反应迅速熄灭而衰减为激波。由于喷嘴截面扩张，澈波由平面激波和墙激渡构成，如图２中Ｂ处激渡所示。随着激波的传播，强度基本保持不变的平面激渡区域沿着Ａ．ｃ线逐渐减小，直至于Ｃ点消失，此处的激波称为临界激波。由于喷嘴较短，Ｃ点已位于喷嘴之外。平面激波的衰减轨迹Ａ－Ｃ基本是直线，相对于初始流动方向以ａ角度倾斜。图２中Ｂ，ｃ处的激渡阵面分别对应于ｆ＝１．３５和ｔ＝１．５０，约为２４。。

激渡进入管外流场后，阵面形状迸一步随时间而改变，且在喷嘴附近形成涡环。图３为不同时刻流场的流线图，描述了管外流场和涡环的变化。管内的高温高压气体尾随激波，以欠膨胀射流的方式溢出爆轰管，爆轰产物和管外静止空气之间存在的切向速度羞诱导Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ不稳定。溢出的激渡使得流场中的压力梯度和密度梯度“不一致”．从而产生斜压效应。斜压效应和Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ不稳定皆会导致涡的产生。图３（ａ）是Ｉ＝１．７５时刻的流线图，此时涡环的长度为０．１左右。气流溢出喷嘴后（出口处为＝８．Ｏ）就以球面方式扩散，说明此时刻涡环对喷嘴附近的流体影响很小。图３（ｂ）是ｌ＝２，３０时刻的流线图，涡环的长度发展为０．９左右，此时涡环的功能如同一个扩散型的流体喷嘴，涡环的扩散角度同爆轰管喷嘴角度基本相同，为１５。。图３（ｃ）是ｔ＝２．６０时刻的流线图，涡环的

第３期于陆军等：单循环脉冲爆轰发动机内外流场的动力学结构

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圈２融渡在喷嚷内和外流场的扩张

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图３内、外流场的不同时封的流线圈

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长度进一步成长为１．３左右，流管发展为扩散．等截压力间断面Ｓ２．１，其强度约为２．２。右侧的激渡Ｓ１．１面管。图３（ｄ）是Ｉ＝３．３０时刻的流线图，涡环的长度是引导激波，其强度为４．５左右。图（ｂ）显示ｔ＝２．５０发展为１．９左右。流管发展为扩散－收敛．扩散管。即时刻喷嘴附近区域存在三道压力间断面。当爆轰管在不同的时刻，流管逐渐由扩散管发展为扩散一等截内气体尾随激波溢出爆轰管后，在喷嘴出口处附近再面管，再发展为扩散．收敛．扩散管，流管收敛扩散的次形成Ｐｒａｎｄｔｌ．Ｍｅｙｅｒ流区，由此产生的膨胀波与涡环变化引起激波的形状变化（激渡的讨论见下文），激波边界（自由边界）作用，为满足自由边界上的条件，须形状的变化如图３中所示。

在膨胀波与涡环边界相交处产生一道斜激波．以使压图４为两个不同特征时刻的流场压力分布图，其力回升到膨胀之前的状态，即为图（ｂ）中的激波Ｓ３。中图（ａ）和图（ｂ）的上半部分为压力等值线以及压力最右侧的激渡ｓ１。２是引导激波，此时其强度已衰减和Ｃ０２在轴线上的分布曲线，下半部分为压力分布阴为２．５左右，最左侧的激渡ｓ２．２是图（ａ）中激渡Ｓ２—１影图。图（ａ）中压力曲线显示，喷嘴附近区域存在两发展而来。其强度减弱为０．３１。ｃ０２分布曲线的突跃个压力突跃阵面。激波溢出爆轰管后，管内Ｐｒａｎｄｔｌ．表示接触间断，左侧是爆轰产物，右侧是空气。

Ｍｅｙｅｒ流区产生的膨胀波在管壁上反射，反射的膨胀图（ｃ）和图（ｄ）为与图（ａ）和图（ｂ）相对的喷嘴外渡在轴线上聚焦，故聚焦处压力突降形成图（ａ）中的

压力分布的三维显示图，它不但显示了图（ａ）中的激

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方数据

空气动力学学报第２５卷

图４喷嘴附近区域的不同时刻压力分布图

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形成稳定爆轰渡以前的时段内，封闭端的推力值较高，这与设定的初始条件（高温高压火团点火）和过驱爆轰有关。封闭端的推力经过短暂上升之后，迅速降低到５．２８左右，并且在膨胀波抵达爆轰管的封闭端（Ｉ＝３．４４）之前，其推力基本保持为该值，这部分时间是ＰＤＥ管产生推力的阶段。图５中Ａ点为膨胀波抵达爆轰管的封闭端时刻，图６对应Ａ点时刻（ｆ＝３．４４）的全流场压力分布阴影图和轴线上压力分布曲

图５封闭端的推力随时间的变化圈

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线。图６中压力瞳线显示此时管内的压力分布从封闭端到出口端是逐渐递减的，当膨胀波抵达封闭端后，封闭端的推力开始逐渐降低。

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３结论

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在不同的时刻，流管逐渐由扩散管发展为扩散．等截

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第３期于陆军等：单循环脉冲爆轰发动机内外流场的动力学结构

ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｐｌｕｍｅ

３６１

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万方数据　

单循环脉冲爆轰发动机内外流场的动力学结构

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

于陆军， 范宝春， 董刚， 归明月， YU Lu-jun， FAN Bao-chun， DONG Gang， GUIMing-yue

南京理工大学瞬态物理实验室,江苏,南京,210094空气动力学学报

ACTA AERODYNAMICA SINICA2007，25(3)3次

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6.学位论文 李秋英 太阳能吸附式制冷吸附床的设计及数值模拟 2006

近年来，环境保护的呼声越来越高，制冷机广泛采用的氯氟烃类制冷剂的逐步被禁用以及能源紧缺问题日趋严重。不采用氯氟烃类制冷剂而且能有

效地利用低品位热源的绿色制冷技术吸附式制冷已经成为各国学者竞相研究的热点。目前吸附式制冷还基本处于理论研究阶段，只有少量产品投入市场，主要原因之一就是吸附床制冷性能与现有的制冷方式没有竞争力。吸附床是吸附制冷系统的核心部件，研究吸附床的传热性能对于整个吸附制冷系统性能有着至关重要的意义。

本文在参阅以前人研究的基础上，对吸附床的结构进行了优化，设计了一种新型吸附床结构，这种吸附床采用套管式结构，而且采用在吸附单元管内放置吸附剂，管外流通热媒介质进行换热的传热方式；并对所设计的吸附床结构建立了相应的数学模型；用MATLAB软件对所建立的模型进行动态仿真，并用MATLAB中的PDE Toolbox工具箱对偏微分方程中的参数进行模拟计算；得出了吸附床内温度在所选典型时刻的静态分布，研究单元内典型节点的温度和脱附速率的动态变化以及吸附床内平均压力的动态变化；从这几个方面综合分析了所设计吸附床结构的传热性能，得出了较好的结果。并用所设计的吸附床结构对系统制冷性能做了计算，而且考虑了吸附床金属热容比对系统制冷性能的影响。为吸附床的进一步优化设计提供了依据。

7.期刊论文 闵剑青.MIN Jian-qing 基于PDEtool的直肋导热数值模拟 -煤矿机械2006,27(1)

为了更好地分析直肋导热的特性,建立了相应的一维和二维的数学模型,应用PDEtool工具箱,采用有限元法求解导热偏微分方程,得到模型的数值解和模拟图形,对比2种模型的温度场和热流场,得出2种模型是等价的,并对改进的肋片进行了导热特性仿真,结果表明运用MATLAB/PDE数值计算方法是方便而高效的,是换热器工程结构设计和优化分析的有利工具.

8.学位论文 李伟 PDE外流场的数值模拟及其化学加速算法的研究 2008

脉冲爆轰发动机是一种利用脉冲式的爆轰波来产生推力的新概念发动机，因为没有旋转部件，脉冲爆轰发动机较传统涡轮发动机具有结构简单、推重比大等优点。上世纪80年代以来，在脉冲爆轰发动机试验研究和数值模拟等方面取得了一系列重要成果，但是有关外流场动力学结构的研究报道并不多。因此研究多循环爆轰外流场的动力学结构有重要的学术价值和应用价值。

本文采用带基元化学反应的二维轴对称Euler方程，数值模拟了脉冲爆轰发动机出口形状对爆轰波泄出外流场结构的影响。其中使用波传播算法求解对流项，在求解化学反应项的过程中，为减少化学反应计算时间采用了动态存储/删除算法，并对本算法进行了改进，通过数值模拟结果的对比分析，得到了该算法的优化参数，并将其应用于不同出口形状的脉冲爆轰发动机爆轰外流场的数值模拟中。

对典型的爆轰外流场的动力学特征(如外流场中的涡环、悬吊激波、引导激波和波系特征等)进行了系统阐述，揭示了悬吊激波产生的机理。结果表明，爆轰波泄出爆轰管后，进入管外的惰性气体中，爆轰波很快衰减为无化学反应的激波。泄出过程还导致压力梯度和密度梯度方向的不一致，这些都使得流场在出口附近区域形成涡环，对流场而言，涡环如同具有敛散效应的流体喷管，并且，在出口处膨胀产生的Prandtl-Meyer流动，使该处的压力下降，为了调正这种与环境的压力差，于是，在外流场中形成止于涡环的悬吊激波。随着燃烧产物出口的流量的变化，流管的敛散角度也随之变化，从而导致悬吊激波形状和位置的变化。

9.会议论文 王治武.严传俊.李牧.郑龙席.黄希桥 两相PDE混合特性的数值模拟 2005

两相爆震燃烧的应用前景越来越明朗,但在它走向应用之前仍有很多问题需要解决,比如燃油的喷射、混合.本文利用CFD程序分别对切向、轴向和径向供气方式的混合室中油、气的混合特性进行了三维数值模拟,发现三种供气方式各有优劣.切向进气有助于油气的充分混合,但是油、气分布不均;轴向进气时油、气分布比较均匀,但是油气的混合不够充分;而径向进气的油气分布、混合程度介于切向与轴向进气之间,能耗较大.

10.学位论文 王君祺 脉冲爆震发动机内流场数值研究 2007

脉冲爆震发动机是一种利用间歇式或脉冲式爆震波产生的高温、高压燃气来产生推力的新概念发动机，这种发动机具有循环热效率高、燃料消耗率低、推重比高、比冲大、结构简单等优点，将成为21世纪新型的航空航天飞行器的动力装置之一。

本文在分析爆震波的基本理论、爆震波的形成特点、传播机理及其特性和脉冲爆震发动机的工作原理的基础上，建立了两个PDE模型，并用FLUENT对其爆震室内流场进行了二维轴对称数值模拟。对于模型1，首先分析研究爆震波在爆震室内形成传播机理和爆震室的内流场结构，然后研究爆震波传出爆震管以后爆震管出口处的流场结构，膨胀波的回传过程以及推力壁压力随时间的变化等。对于模型2，通过对不同初始压力、不同初始温度以及不同点火能量的若干个算例的分析研究，总结出初始条件对爆震波形成传播、爆震参数以及推力壁压力是如何影响的。另外，对某几个算例进行了不同网格步长和时间步长的计算，研究了网格步长对爆震波形成和爆震特性参数的影响，并分析研究了时间步长在不同初始压力下对爆震特性参数影响幅度。

引证文献(3条)

1.于陆军.范宝春.归明月.董刚 脉冲爆轰发动机第一和第二次循环的数值模拟[期刊论文]-空气动力学学报2009(4)

2.于陆军.范宝春.归明月.董刚 出口爆轰的外流场研究[期刊论文]-力学学报 2009(1)

3.于陆军.范宝春.叶经方 多循环脉冲爆轰发动机外流场的实验研究[期刊论文]-实验流体力学 2008(4)

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