連續(xù)旋轉爆轟發(fā)動機隔離段流場數值模擬研究.docx

1、彈道學報JournalofBallisticsDOLIO.12115j,is$n.l004-499X（20H）l）2-007連續(xù)旋轉爆轟發(fā)動機隔離段流場數值模擬研究郭凱欣廳翁春生廳武郁文（南京理工大學瞬態(tài)物理國家重點實驗室祥江蘇南京210094）摘要:為了研究連續(xù)旋轉爆轟發(fā)動機（CRDE）隔離段的反壓特性府建立了等直隔離段以及帶擴張段的隔離段模型由用FLURNT對這2種構型的隔離段進行三維數值模擬由研究了旋轉爆轟波在隔離段內向上游傳播的特性由分析了不同結構對流場結構'激波串前傳位置的影響小對同一結構府分析了反壓大小、旋轉速度對其的影響用研究結果表明府反壓在隔離段內與附面層相互作用府誘導

2、出復雜激波和膨脹結構府形成了激波串用反壓擾動在隔離段中前傳的距離與隔離段的構型、反壓旋轉速度和大小有關:等直隔離段的抗壓能力相對更強R反壓旋轉速度或壓力增加標都會使得擾動區(qū)域增加M數值模擬結果對CRDE隔離段反壓特性研究以及結構設計具有一定參考價值JH關鍵詞:爆轟發(fā)動機0旋轉爆轟反壓0隔離段0流場結構中圖分類號:V231.3文獻標識碼：A文章編號：10。廠499X（2019）0廠0035-。7NumericalInvestigationofFlowFieldinContinuousRotatingDetonationEngineIsolatorGUOKa:iinWENGChunshenWUYu

3、wen（NationaKeyLaboriloryofTramien:PhyiicjiilNaniingUnirefjiiyofScience&TechnolonNiniin?210094»IChini）Abstract：Toinvestisatethecharacteristicsofthebackpressureinacontinuousrotatingdetonationengine（CRDE）ijolaloriii'themodelsofslraightisolalorandisolatorwithanexpansionseclionwereestablisbe

4、d.Thethreedimensionalnumericalemulationontheisolatoroitheiwoconiigurationswascarriedou:byFLURNT.Thecharacteristicsoftherotatingdetonationwavepropagatingupdreamintheisolatorwereanalyzed.TheinfluencesofdifferentitructuresonlhefhwfieldHruclureandtheforwardpositionoftheshocktrainwereanalyzed.Forthesames

5、tructureittheiofIuencesofthebackpressureandtherotationa1speedonitwereanalyzed.TheresultsshowthatlhebackpressureinleractingwiththeboundarylayerinlheitolalorcaninducecomplexshockandexpansionJiruciureslitformingashocklia:n.Thedistanceforwardedbythebackprenureintheisolatorisrela:edIotheconfirmationofthe

6、isolatorHiandlhespeedandmagnitudeoflhebackpressurerotation.TherelativelyenhancementollhepressureresistanceofthestraightisoIatoritbeincreasingofthebackpressurespeedorpressurecanincreasethedisturbancearea.Thenumericalsimulationresultshavecertainreiereneevalueforthebackpressurecharaclerislicsandstructu

7、raldesignoftheisolatedrotatingdetonationengine.Keywords：detonationengineRotatingdelonalionbackpieisureJPisolatorjPflowfieldstructure收稿日期：20)8-10-25基金項目：國家自然科學基金項目(702143)JI國防預研基金項目(6142604D201162604002)作者簡介：郭凱欣(1994-女撲頁士研究生R研究方向為連續(xù)旋轉爆轟發(fā)動機IfE_mi'：461708539l#通信作者：翁春生(1964-)if男it教授it博士生導師il研兗方向為推進技

8、術NE_miil;wenicj,連戟轉像轟發(fā)動機(continuousrotatingdetonationenginetfCRDE)是一種新型發(fā)動機仲現有的航空航天動力系統主要基于常規(guī)的等壓燃燒方式且此類發(fā)動機的發(fā)展己經相對成熟R性能難以再取得重大突破沖與傳統的發(fā)動機相tWCRDE基于爆轟燃燒£爆轟波近似于等容燃燒貴理論上具有比等壓燃燒更高的熱循環(huán)效率和熱釋放速率村專播速度可達千米每秒量級R具有結構緊湊、燃燒速率快'熱效率高、高比沖等特點用此外R爆轟波沿與流向垂直的圓周方向的動態(tài)傳播也增加了燃燒的穩(wěn)定性1，_23I但是在工作過程中V燃燒室入口處的壓力在空間上非均勻分布f且每個

9、位置的壓力都隨時間變化麻其反壓環(huán)境會對上游來流產生較大影響R因此在燃燒室上游需設置隔離段月隔離段位于進氣道與燃燒室之間#主要作用是承受燃燒室的反壓環(huán)境R同時防止燃燒室產生的擾動前傳而影響進氣道的流動狀態(tài)苜溫玉芬5通過數值模擬與實驗相結合的方法府對脈沖爆轟發(fā)動機進氣道的流動特性進行了研究府分析了周期性爆轟壓力的擾動對進氣道流場結構的干擾作用玳以及不同爆轟波特性、不同進氣道布局形式對進氣道流動特性的影響就王超等e開展了吸氣式連續(xù)旋轉爆轟試驗竹對隔離段和燃燒室壓力進行測量針分析了連續(xù)旋轉爆轟對空氣來流的作用竹并考慮了燃燒室尺寸的影響用試驗發(fā)現了吸氣式連續(xù)旋轉爆轟與來流的3種相互作用：來流總壓不變府且

10、不存在高頻壓力震蕩0來流總壓不變玳但存在高頻壓力振蕩府且與連續(xù)旋轉爆轟波傳播頻率相同川來流存在與連續(xù)旋轉爆轟波傳播頻率相同的高頻壓力振蕩浦來流總壓升高礦且隨著燃燒室流通面積的減小仃連續(xù)旋轉爆轟波引起的隔離段中的高頻壓力振蕩峰值增加巾頻率上升*對來流的影響增強劇Su等也通過數值模擬研究了正弦脈動反壓下超燃沖床發(fā)動機隔離段壁面的壓力振蕩特性用上述文獻中的研究沒有涉及到連續(xù)旋轉爆轟發(fā)動機的隔離段的構型對其反壓特性的影響用隔離段內的流動特性不僅受入口與出口條件的影響面還與其幾何構型有著密切的關系用常見的隔離段構型為等直管道叫旦超燃沖壓發(fā)動機燃燒室里普遍采用了擴張角和后臺階的結構面此類結構一般也承擔著一

11、定的抗反壓的作用用因此本文用FLUENT軟件對等直及漸擴隔離段進行了三維數值模擬府研究了旋轉爆轟波在隔離段內向上游傳播的特性面分析了隔離段結構對流場結構和激波串前傳位擔的影響仲對同一結構R分析了反壓大小和旋轉速度對其的影響玳為后續(xù)的研究奠定了基礎用1計算模型與數值方法1.1計算模型連續(xù)旋轉爆轟發(fā)動機的燃燒室通常為環(huán)形結構就因此選擇環(huán)形結構的隔離段用隔離段包括等直構型、帶擴張段構型竹如圖1所示據其中等直隔離段總長度為90mm#內徑為40mmHT外徑為60mmji1帶擴張段構型的隔離段總長度為170mm由其中擴張段長度為100mm#入口處外徑為44mm#擴張角度為9.1°I采用網格前處理

12、軟件1CEM對模型進行網格劃分宿吏用六面體結構化網格府為了保證計算精度®同時控制網格數量面在隔離段主流方向、半徑方向和圓周方向分別布置了180、36、200個網格訴網格總數約為128萬用為了更好地反映近壁面的附面層流動面還對內外壁網格進行了局部加密沖壁面第一層網格高度為0.Olmmttt保證壁面處y'UORy為第一層網格中心到壁面的無量綱距離映圖1計算模型1.2計算方法本文利用FLUENT求解器府基于理想氣體假設if采用UDF模擬旋轉爆轟反壓府不考慮化學反應祥考慮粘性作用砰采用密度基顯式算法求解N-S方程明對流項選用對激波具有較高捕捉精度的三階MUSCL格式進行離散命物理通量

13、利用AUSM格式進行分解#時間項采用Runge'Kutla法進行處理山中為了能夠較好地捕捉旋轉爆轟反壓與邊界層的相互作用的時間步長取0.01uslit以保證計算精度用1.3邊界條件與初始條件本文計算區(qū)域的邊界條件有如下3種網 壁面邊界條件用隔離段內外壁面均為無滑移、無穿透、絕熱固壁邊界用 壓力入口邊界條件描入口馬赫數Ma=1.5HT總壓p.=0.4MPaiJ靜壓Pi=0.107MP河總溫為T=606KW 壓力出口邊界條件用初始時刻面對隔離段內流場以入口條件初始化評為避免出口反壓在超聲速條件下壓力外推府對出口處網格分區(qū)初始化府并對其賦予亞聲速初始條件用本文考察了不同反壓大小、爆轟波傳播速

14、度對流場的影響由反壓大小由恢復區(qū)壓力和壓力振幅組成R分別對應圖2(a)中的ppB值府相應的算例初始參數見表1M表中ifv為爆轟波傳播速度N為了模擬由于爆轟波在環(huán)形燃燒室內持續(xù)旋轉傳播產生的旋轉反壓e*本文用指數函數擬合了反壓振型if反壓沿圓周方向的分布如圖2(a)所示巾并通過UDF導入算例作為隔離段出口處的壓力邊界條件巾圖2(D中祀為隔離段環(huán)面的極角坐標用由函數擬合得到的隔離段出口邊界壓力云圖與文獻8中旋轉爆轟燃燒室入口處的壓力云圖如圖2(b).圖2(c)所示#由圖可知W沿周向分布的壓力變化趨勢是一致的用表1算例及初始條件參數算例隔離段構型v(m.'1>p./MPapi/MPa1

15、等直180(10.150.302等直180(10.300.603擴張18000.150,304擴張16000.150.305擴張1OOO0.150.306擴張18000.130.267擴張18000.100.20圖2隔離段出口壓力分布2計算結果及其討論2.1等直隔離段內流場結構分析圖3和圖4給出了算例1和算例2外壁面、隔離段截面上的壓力與馬赫數分布云圖用由圖3可知面當爆轟反壓較低時仃旋轉反壓上升至一定高度以后的不再繼續(xù)向上游傳播祐甚至被抑制在隔離段出口附近用由圖4可知帥增大反壓后的反壓不斷向上游傳播用拖曳出一道斜激波面的沿著軸線方向螺旋上升祥受擾動的區(qū)域逐漸向上游擴展用從壓力及馬赫數分布云圖上

16、可以看出價沿氣流流動的方向的附面層逐漸加厚命靜壓逐漸升高的馬赫數逐漸降低用隨著反壓的擾動沿附面層向上游傳播仃在附面層附近產生壓縮波面從而形成斜激波面在斜激波后的壓力升高很多用斜激波在中心線相交以后府被互相壓縮府又產生了斜激波系麻斜激波系反射向壁面府并和壁面撞擊井壁面處的壓強急劇升高府從而使得附面層分離用氣流分離區(qū)與核心區(qū)壓強的差異導致激波在壁面附近發(fā)生普朗特-邁耶反射討形成稀疏膨脹波討膨脹波和斜激波重復出現5K形成了激波串成這與文獻1。-12中在圓截面等直隔離段中觀察到的激波串結構是相似的由沿著氣流的方向浦隔離段中線處的靜壓交替上升、下降質馬赫數的變化趨勢則剛好相反明可見廳反壓的增加會使激波串

17、出現并向上游移動用算例2中反壓不斷前傳礦直至將首道斜激波推出隔離段R整個流場變成亞聲速進氣條件府因此在該邊界條件下砰隔離段滿足不了抑制旋轉反壓的要求出圖3算例1流場分布圖4算例2流場分布2.2帶擴張段的隔離段內流場結構分析通常認為入口馬赫數越大R隔離段的抗反壓性能越強府但是引入擴張角將會逐漸改變隔離段的高度、邊界層的厚度、馬赫數等條件R實際上沿程不僅馬赫數增大了府壓力也減小了質而壓力的減小又對抗反壓能力不利竹綜合考慮情況較為復雜用因此府考慮在原本的等直隔離段構型前面加一段擴張段廳觀察其流動特性用圖5為帶擴張段的隔離段在不加反壓時的純流動流場M從圖中可以看出府在擴張段內面來流不斷加速就馬赫數達到

18、3以上府壓力降低目經過等直段時面壓力和速度基本保持不變用圖6為算例3的流場分布圖用圖5帶擴張段隔離段在無反壓時的純流動流場圖6算例3流場分布從圖6中可以看出府由于擴張段的存在祁付面層的分離更加嚴重由而且厚度迅速增加帥激波與附面層的干擾更強府反壓螺旋著向上游傳播面相比等直隔離段更容易沿著附面層向前傳面且反壓傳至靠近擴張段入口處的某一位置后面不再繼續(xù)向上游發(fā)展府該位置即代表爆轟波所能影響的最上游的位置由但是本文算例中該位置并不是一個平面府暫且將其最上游的位置稱為“極限位置”用以算例3作為基準算例府控制變量府分別改變爆轟波的旋轉速度和壓力峰值由與算例4、算例5和算例6、算例7做比較用2.2.1反壓旋

19、轉速度的影響圖7、圖8中反壓的旋轉速度分別為1600m/s#1000m/sf云圖形狀基本與算例3類似W由于擴張段單側擴張#內壁面的附面層分離現象要遠小于外壁面面在經過極限位置的一道斜激波以后B氣流速度降為亞聲速寸在擴張段內逐漸減速#到等直段時面馬赫數己經非常小了不利于進氣*將算例3、算例4、算例5的云圖對比可以發(fā)現戶隨著反壓旋轉速度的下降R壓力云圖上這條螺旋的高壓線的“螺距”增加了由反壓能到達的“極限位置”降低用2.2.2反壓大小的影響圖9和圖10分別給出了算例6、算例7外壁面、軸截而上的壓力與馬赫數分布云圖用算例6、算例7中反壓的大小分別為0.26MPa和0.20MPaf隨著出口反壓的降低府

20、受擾動的區(qū)域減少W首道斜激波的位置下降面即“極限位置”向后推移了甘齡圖9算例6流場分布圖7和圖8分別給出了算例4、算例5外壁面、軸截面上的壓力與馬赫數分布云圖做潮融蹣花圖10算例7流場分布做潮融蹣花圖10算例7流場分布2.3旋轉爆轟波壓力及傳播速度對隔離段流動特性的影響2.3.1對等直隔離段的影響圖11和圖12為不同反壓下等直隔離段沿圓環(huán)中心軸線及內外壁面的沿程壓力和馬赫數分布用1.加電Kgfit微叔國魏微線、值鋼圖1】算例1中心面及內外壁面沿程壓力和馬赫數分布圖12算例2中心面及內外壁面沿程壓力和馬赫數分布圖11右端為隔離段入口用算例1沿程壓力一直緩慢增加廳直至距離隔離段出口0.1m處竹中心

21、線壓力突升府內外壁面相對變化較為緩慢針且外壁面的壓力波動略小于內壁面用馬赫數首次突然下降的位置對應于靜壓上升的位置竹且可以明顯看出府中心線的馬赫數最高討外壁面次之針內壁面最低用算例2的旋轉反壓高于算例1府所以等直隔離段內反壓向上游傳播的距離遠大于算例14且壓力峰值逐漸降低并趨于平緩討隔離段內變?yōu)閬喡曀倭鲃佑?.3.2對漸擴隔離段的影響圖13為算例3中3條貫穿隔離段的軸線的沿程壓力和馬赫數分布映y=0.20m為內壁面上的一條軸線（Jy=0.21m為擴張段入口處的中心軸線ijy=0.22m則相當于擴張段入口處的“外壁面，就由壓力圖可以看出面3條線兒乎重合從馬赫數圖可見,y=0.21m處的馬赫數值高

22、于另外2條線面且尸=0.20m處#即內壁面靠近擴張段出口處有一段馬赫數趨勢相反仲圖14馬赫數圖的峰值所對應的z坐標則代表反壓前傳的“極限位置啊算例3、算例4、算例5的“極限位置”依次遠離入口*即隨著反壓旋轉速度的降低府反壓前傳的距離減少目算例3、算例6、算例7的“極限位置”也依次遠離入口府即隨著反壓的降低巾反壓前傳的距離也減少用但是府壓力對于極限位置的影響大于旋轉速度的影響用圖13算例3中心面及內外壁面沿程壓力和馬赫數分布I_n_I_i】Rg岫蚣iLW心咖故株密侃伐iiw四您1潮m圖14漸擴隔離段中心面及內外壁面的沿程壓力和馬赫數分布在等直隔離段中竹激波基本沿著隔離段中心環(huán)面與內外壁面對稱府且

23、在等直隔離段環(huán)面中心形成了一道正激波竹隨著反壓的增大激波與附面層的干擾作用增強麻附面層厚度增加用帶擴張段的隔離段中的激波串則呈非對稱分布狀態(tài)祥并且在隔離段內未形成正激波行但是在首道斜激波之后的與內外壁面發(fā)生了不同程度的附面層分離府且附面層分離較為嚴重用3結論本文采用2種隔離段構型研究了旋轉爆轟反壓在隔離段內的流動特性廳得出以下結論： 在等直隔離段中由隨著旋轉爆轟反壓的增加府旋轉爆轟波向上游傳播府在隔離段內形成斜激波系小在首道激波的下游面附面層逐漸加厚府靜壓逐漸升高府而馬赫數逐漸降低用由于激波與附面層的相互作用府發(fā)生普朗特-邁耶反射府形成了激波串用 同樣在0.30MPa的反壓條件下®在

24、帶擴張段的隔離段中反壓前傳的距離比等直隔離段要更靠近入口面因此等直隔離段抗擾動的能力比帶擴張段的隔離段更強用 在帶擴張段的隔離段中竹反壓一直前傳至擴張段內R并基本穩(wěn)定在某一位置針且該位置與反壓的旋轉速度及大小有關用隨著反壓旋轉速度的減小祐反壓向上游的擾動也減小0隨著反壓的增大府反壓最終穩(wěn)定的位置也越靠近入口處用改變壓力比改變速度引起的變化更明顯用參考文獻劉世杰林志勇&覃蔥B等.連續(xù)旋轉爆震波發(fā)動機研究進展J.E航導彈»i2010ii2:7D-75.LIUSbijieilLINZhiioD；TANHuillelal.Renircbprogiessofconlinuouirola

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26、性研究D.南京:南京航空航天大學2011.WENYifen.Reseaichoniht(lowcharsclerislicsofIheinleliorairbreathngpulsedetonationengineD.Ninjins：NanjingUniiefjiiyofAeronauticstndAiiroaauiitiOOi1.(nChinese)4王超劉衛(wèi)東劉世杰*等.吸氣式連續(xù)旋轉爆震與來流相互作用Jj.航空學報料。16明7(5)：411-1418.WANGChaoitLIUWeidongilLIUShijt.Inleratiionofairbruihin|tonnuousro'

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