不同類型射流起爆爆震波特性的數值研究

王治武, 陳星谷, 鄭龍席, 彭暢新, 盧杰

(西北工業大學 動力與能源學院, 陜西 西安 710072)

脈沖爆震發動機(pulse detonation engine,簡稱PDE)是一種利用脈沖式爆震波產生推力的新概念發動機,由于它具有熱循環效率高、結構簡單、工作范圍寬及可靠性高等潛在優點,被人們認為是一種有發展前途的推進技術[1-2]。如何以較小的點火能量起爆碳氫燃料和空氣的混合物,并在較短的距離和時間內形成穩定的爆震波是PDE走向工程應用的關鍵問題之一[3]。已有研究表明,采用熱射流點火可有效減小爆震波的形成距離和時間[4-5]。

國內外對熱射流起爆爆震波特性進行了一些試驗和數值研究。C.M.Brophy等人的研究發現,爆震波傳入主爆震室后會出現衍射現象,激波強度將減弱,導致直接起爆失敗,主爆震室中形成局部熱點,促成二次起爆[6]。R.Knystautas等人對射流的起爆機理進行了研究,研究表明燃燒產物和可燃物的摻混可以起爆爆震波[7-8]。F. Carnasciali等人研究了氫氣/氧氣當量比混合物在一定氮氣稀釋條件下的熱射流起爆問題[9]。李牧等人對多爆震室串聯熱射流起爆進行試驗研究[10]。于軍力等人采用射流火焰的點火方式進行了爆震管中乙炔和空氣混合物從爆燃向爆震轉捩的試驗研究[11]。曾昊等人對橫向爆震射流起爆爆震的過程進行了數值模擬,研究了爆震射流位置和填充速度對其的影響[12],并對環形射流的初始壓力以及噴口位置對起爆影響進行了分析[13-14]。秦亞欣等人對3種不同結構形式的環形預爆管的爆震發生器進行了數值模擬,研究環形爆震波聚焦起爆現象及其氣動特性[15]。王治武、陳星谷等人對橫向射流的壓力、速度以及溫度對爆震波起爆的影響規律進行了數值研究[16]。

根據排氣射流的狀態,熱射流可為3種類型——亞聲速射流、超聲速射流和爆震射流。上述研究主要對爆震射流起爆爆震波過程進行了分析,并且在數值研究中都是利用高溫高壓區直接觸發爆震波的點火方式來獲得爆震射流。到目前為止,很少有對3種類型的射流起爆爆震波過程進行系統的研究。本文利用熱點火方式首先在不同長度預爆管中獲得三種類型的射流,從點火到形成射流的過程與實際過程相近;在此基礎上重點對3種類型的射流起爆爆震波的過程進行數值研究,研究結果對于脈沖爆震發動機的設計以及工程應用具有一定的參考價值。

1 物理模型和計算方法

物理模型如圖1所示,采用二維平面數值模型。計算域包括預爆管、主爆震室以及外場3部分。主爆震室的左端封閉,起推力壁的作用;右端開口,起排氣的作用,其寬為30 mm,長600 mm。與主爆震室正交的預爆管寬為10 mm,其中心線離主爆震室左端壁面20 mm。設置了3種不同長度的預爆管,其長度分別為80 mm、100 mm以及200 mm。預爆管的上部分加有正方形障礙物,用于加速燃燒反應,促進爆燃向爆震轉變(deflagration-to-detonation transition,DDT),障礙物尺寸為1.5 mm×1.5 mm,間距為10 mm。預爆管的下部分為光滑壁面,其長度為48.5 mm。設置長9D×6D(D為主爆震室內徑)的外場以模擬主爆震室出口環境。外場與主爆震室軸向重疊區域長度為3D。

計算采用非穩態二維N-S方程及有限體積法求解?；瘜W反應采用5組分單步不可逆有限速率模型。湍流模型為標準k-ε模型,近壁面利用標準壁面函數處理。采用溫度梯度自適應方法加密局部網格,以適應局部參數的劇烈變化。假設混合氣體都是理想氣體,忽略擴散、黏性和熱傳導等輸運過程。

預爆管以及主爆震室中的混合物是化學恰當比的丙烷/空氣混合物,初始溫度為300 K,初始壓力為0.1 MPa,為靜止狀態。外場的氣體為空氣,初始溫度為300 K,初始壓力為0.1 MPa,為靜止狀態。預爆管中采用熱點火方式,點火區的溫度為1 500 K,點火區為半徑為3 mm的圓形區域,如圖1所示。通過調節預爆管長度可以獲得不同狀態的射流,這些不同狀態的射流可以歸為上述3種類型射流,即亞聲速、超聲速和爆震射流。為了便于分析,預爆管內監測截面的位置如圖1中S1和S2所示。S1距離預爆管出口20 mm,S2在預爆管出口處。

圖1 物理模型示意圖

2 計算結果與分析

預爆管中填充了氣態燃料,點火后首先形成層流火焰,在障礙物以及壁面的作用下,加快燃燒反應,使火焰不斷加速,最后完成爆燃向爆震轉變。因此,預爆管長度從小到大變化時可以獲得不同類型的熱射流。因為主要是研究不同類型熱射流起爆主爆震室中可燃氣體的過程,所以以下云圖中只顯示了主爆震室的云圖。

2.1 亞聲速射流的起爆過程

圖2為預爆管長度為80 mm時,S1和S2位置處的壓力以及溫度隨時間變化的分布曲線。P1和T1分別對應S1位置處的壓力和溫度。P2和T2分別對應S2位置處的壓力和溫度。由P2和T2的曲線可知,壓縮波在火焰之前傳到預爆管出口,并且壓縮波的最大壓力只有0.25 MPa左右,火焰在大約282 μs時傳入主爆震室。由T1和T2的曲線可以估算出火焰的傳播速度大約為296 m/s,而此時由CEA軟件算出未燃氣體的聲速為339.7 m/s,比較可知此時獲得的射流為亞聲速射流。

圖2 S1和S2位置處的壓力以及溫度隨時間變化的分布曲線

圖3 主爆震管隨時間變化的壓力云圖

圖3給出了不同時刻主爆震室中的壓力云圖。由圖可知t=220 μs時,亞聲速熱射流的壓縮波已經傳入到主爆震室,此時的壓力只有0.2 MPa左右。壓縮波與左壁面以及下壁面發生碰撞作用,使得該區域的壓力有所增加(245 μs、265 μs、300 μs的圖),并反射出壓力更大些的壓縮波(320 μs的圖)。壓縮波接著在上下壁面進行往復地碰撞、反射作用,在此過程中壓縮波的壓力有小幅度增加,并且壓縮波向右傳播,向右傳播的壓縮波隨著時間的推移逐漸減弱(345～480 μs的圖)。505 μs之后,主爆震室中的壓力進一步上升到0.5 MPa,最高的有0.8 MPa(540～700 μs的圖),這主要是熱射流的火焰傳入主爆震室后點著可燃氣體,并在壓縮波的壓縮、反射作用下加速燃燒放熱引起的。但是最終爆震室中的壓力也沒有超過1 MPa(800 μs的圖),只是產生了一道激波,因此可以判斷爆震室中沒有形成爆震波。綜合上述分析,亞聲速射流不能成功起爆主爆震室中的可燃氣體。

2.2 超音速射流的起爆過程

圖4給出了預爆管為100 mm長時,位置S1和S2處的壓力以及溫度隨時間變化的曲線。由P2和T2的曲線可知,壓縮波在火焰之前傳到預爆管出口,并且此時壓縮波的最大壓力只有0.28 MPa左右?；鹧嬖诖蠹s352 μs時傳入主爆震室。由T1和T2的曲線可以估算出火焰的傳播速度大約為370 m/s,大于聲速,所以可知此時獲得的熱射流為超聲速熱射流。

圖4 S1和S2位置處的壓力以及溫度隨時間變化的分布曲線

圖5給出了預爆管為100 mm時產生的超聲速射流起爆主爆震室過程的壓力云圖。t=280 μs時,壓縮波已經傳入主爆震室。280～480 μs時,壓縮波的變化與亞聲速射流時的變化很相似,都是通過與各壁面以及壓縮波之間的作用使得該區域的壓力增加,壓縮波的強度增強,但是超聲速射流時壓縮波的強度增強更大些。488 μs時,下壁面反射出的較強壓縮波與左壁面以及上壁面發生碰撞作用,都反射出了更強的壓縮波(494～500 μs的圖)。t=510 μs時,左端壁面以及上壁面反射的壓縮波在左上角區域相互碰撞,形成一個高壓區,壓力大于1 MPa。高壓區驅動了一道激波,激波向下傳播時,與左壁面作用產生了一個熱點(520 μs的圖)。熱點沿著壁面向下傳播并迅速發展為局部爆震。局部爆震傳播到下壁面后并沒有繼續增強,反而熄滅了,只形成一個高溫高壓區并驅動一道新的激波(532 μs的圖),這主要是因為該區域的可燃氣體已經燒完,沒有可燃氣體支持局部爆震的進行。雖然熱點和局部爆震沒有繼續增強形成爆震波,但是熱點和局部爆震的產生加快了燃燒放熱,有利于促進爆震波的形成。由于壓縮波的相互疊加、波系以及壁面之間的相互作用使得靠近前方的一道壓縮波壓力增加,強度加大,并在568 μs時在與上壁面相互作用的區域產生局部爆震。局部爆震急劇增大,到572 μs時就充滿了整個主爆震室。局部爆震與下壁面發生碰撞,反射出一道橫波(590 μs的圖)。橫波掃過區域的弧形爆震波將被拉平。t=604 μs,橫波掃過了整個爆震室,弧形爆震波變為平面爆震波,此時的爆震波峰值壓力約為3.5 MPa,大于C-J壓力。由600 μs和604 μs時的圖可以估算出爆震波的波速約為2 360 m/s,大于C-J速度,表明主爆震室中形成了爆震波。形成平面爆震波的位置距離左端壁面約為211 mm,文中定義該距離為爆震起爆距離。

圖5 不同時刻主爆震室中的壓力云圖

2.3 爆震射流的起爆過程

圖6給出了預爆管為200 mm長時,位置S1和S2處的壓力以及溫度隨時間變化的曲線。由圖可知,P1和P2的峰值壓力都大于3 MPa,遠大于C-J壓力。激波和火焰是同時傳到S1和S2處的,說明激波和燃燒鋒面耦合在一起?；鹧嬖诖蠹s416 μs時傳入主爆震室。另外,由圖可以計算出激波的傳播速度大約為2 350 m/s,大于C-J速度。綜上分析可知,當預爆管長度加長到200 mm時,在預爆管中形成了爆震波,即獲得了爆震射流。

圖6 S1和S2位置處的壓力以及溫度隨時間變化的分布曲線

圖7給出了預爆管為200 mm時產生的爆震射流起爆主爆震室過程的壓力云圖。t=418 μs時,預爆管產生的爆震射流已經傳入主爆震室,在衍射的作用下,爆震波的強度被削弱,波面發生彎曲,變為了弧形爆震波(426 μs的圖)?；⌒伪鸩ㄏ蜃蠖吮诿鎮鞑?t=430 μs時與左端壁面碰撞,發生規則反射,反射波區域的壓力相應的增加了不小?；⌒伪鸩ɡ^續向下傳播,同樣與下壁面碰撞(434 μs的圖),發生規則反射,反射波區域的壓力急劇上升形成一個高壓區,并產生了一道向上傳播的橫波。與此同時,弧形爆震波還與上壁面作用,但其作用相比于與下壁面的作用力度要小得多。上傳橫波與右行弧形爆震波相互作用,使得橫波作用過的彎曲爆震波面變平(444 μs、454 μs的圖)。t=468 μs時,橫波掃過整個爆震室,整個爆震波面變平,形成了平面爆震波,此時爆震波的峰值壓力約為2.9 MPa,大于C-J壓力。由464 μs以及468 μs時的圖可以估算出爆震波的波速約為2 125 m/s,大于C-J速度,表明主爆震室中形成了爆震波。爆震射流起爆爆震波的距離為125 mm。

圖7 不同時刻主爆震室中的壓力云圖

2.4 3種類型射流起爆過程對比

由以上分析可知,現有計算狀態下,亞聲速射流不能在主爆震室中起爆爆震波,超聲速射流以及爆震射流都能夠在主爆震室中起爆爆震波。超音速射流起爆爆震波的時間為604 μs,起爆距離為211 mm。爆震射流的起爆時間和距離分別為468 μs和125 mm。爆震射流的起爆時間和距離相對于超聲速射流要小得多。對于超聲速射流起爆而言,從點火到預爆管產生的火焰傳入主爆震室的時間為352 μs,而火焰傳入主爆震室到產生平面爆震波的時間為252 μs。對于爆震射流,從點火到爆震射流傳入主爆震室的時間為416 μs,而火焰傳入主爆震室到產生平面爆震波的時間為52 μs。對比可知,產生爆震射流的時間比產生超聲速射流的時間長了64 μs,但是爆震射流在主爆震室中形成爆震波的時間卻比超音速射流的少了200 μs,這就是爆震射流的起爆時間比超聲速射流的要少的原因。

3 結 論

通過數值模擬,在3種不同長度預爆管中利用熱點火獲得了3種不同類型的射流,并以此為基礎對不同類型射流起爆主爆震室中可燃氣體的過程進行了系統的分析、比較,得出以下結論:

1) 現有條件下,亞聲速射流不能在主爆震室中起爆爆震波,而超聲速射流以及爆震射流均可以在主爆震室起爆爆震波。

2) 超聲速射流要經過多次的壓縮波以及激波的反射作用形成熱點、高溫高壓區以及局部爆震最終才形成平面爆震波。而爆震射流與上、下壁面發生一次碰撞就產生了橫波,在橫波的作用下很快形成了平面爆震波。

3) 形成爆震射流的時間比形成超聲速射流的時間要長,但是爆震射流在主爆震室中起爆爆震波的時間比超聲速射流的要短得多,所以總的來看爆震射流起爆主爆震室的時間比超聲速射流短136 μs。爆震射流起爆主爆震室的距離比超聲速射流小86 mm。

4) 爆震射流起爆爆震波的過程中,從點火到形成爆震射流占了整個過程的絕大部分時間,因而對產生爆震射流這一階段進行有效的改進和加速將可以減少總的起爆時間。

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