旋转爆轰流场结构及自持传播机理的数值研究

摘要

旋转爆轰发动机(RDE)是一种新型的爆轰发动机。在推进方面,旋转爆轰发动机同时具备了脉冲爆轰发动机和驻定爆轰发动机的某些优点,既可以零起动,又没有出口爆轰产生的噪音,且爆轰产物的污染很小,具有广阔的应用前景。本文的目的是通过数值模拟,研究旋转爆轰的流场结构和传播机理,并讨论RDE的推进性能。数值计算基于带化学反应的二维和三维Euler方程,采用8组元和48个可逆化学反应的基元反应模型,对气相氢气/氧气/氮气系统(2H2+O2+7.3N2)的旋转爆轰在圆环形燃烧室内的传播过程进行数值模拟。利用附加半隐的龙格库塔法对控制方程全耦合求解,并处理化学反应造成的刚性问题:采用五阶精度的WENO格式对对流项进行离散。根据数值模拟结果,详细阐述了旋转爆轰的流场结构,分析了旋转爆轰自持传播的机理,并讨论RDE的推进性能,同时简单分析了燃烧室在部分充填燃料条件下的旋转爆轰流场的变化。结果表明：
　　 ⑴旋转爆轰子爆轰波与斜激波相连,形成爆轰一激波的复合波。旋转爆轰具有非受限爆轰的特征,引起了旋转爆轰参数的亏损。典型的旋转爆轰流场可分成四个部分,分别为:新鲜气体区,爆轰一激波复合波前的已燃烧气体区,激波后被压缩的已燃气体区,以及紧随爆轰波之后的高温高压的爆轰产物区。
　　 ⑵爆轰在圆环形燃烧室内传播时,由于燃烧室壁面敛散性,导致了爆轰流场在径向分布不均衡。沿径向,爆轰强度逐渐增强,在圆环凹壁面侧爆轰阵面的温度、压力和化学反应强度均高于凸壁面侧。旋转爆轰在传播过程中,内外壁面附近爆轰阵面交替领先,爆轰波传播速度呈现出周期性振荡的特点,旋转爆轰具有动态稳定的特性。总体来看,旋转爆轰波沿凹壁面侧的传播速度要大于沿凸壁面侧的速度,从而使得旋转爆轰波具有稳定的旋转角速度,爆轰波最终得以在燃烧室内自持传播。
　　 ⑶在燃烧室靠近内壁面的圆环区域内充入可燃气,爆轰波能够在该区域稳定旋转。爆轰波阵面只与燃烧室内壁面和进气端面接触,其受限程度更低。爆轰波波后,存在由透射激波和反射激波组成的复杂波系。旋转爆轰产物在离心力、膨胀力和激波等的共同作用下,不断趋向于外壁和管外,产生推力;同时产生有一定密度和压力梯度的背景流场,为新鲜气体的不断充入提供了条件。
　　 ⑷旋转发动机具有很高的爆轰循环效率。在本文条件下,旋转爆轰发动机的比冲可达到7000s-9000s,频率为4kHz-5kHz,要远大于脉冲爆轰发动机的频率。