连续旋转爆震波结构与传播过程的数值模拟

连续旋转爆震波结构与传播过程的数值模拟

1连续旋转爆震波数值模拟研究连续旋转爆炸波发动机通常采用环形燃烧（见图1）。燃烧的一端是封闭的，燃料从封闭的一端喷出。单个或多个爆炸波沿周向旋转，并在燃烧头部周围传播。波后，高温高压的产物迅速膨胀，并从开口末端高速释放，导致交通拥堵。由于采用爆震燃烧方式,使得连续爆震发动机在性能、结构尺寸等方面都有明显的优势。20世纪50,60年代,Voitsckhovskii,NichollsJA等分别通过试验验证了连续旋转爆震的可行性,随后Bykovskii,Wolanski,Canteins,Braun等开展了更多的试验研究,验证了其在更多的推进剂组合、更宽的工况范围内稳定工作的可行性。但由于环形燃烧室构型独特,旋转爆震波的传播速度又非常快,试验观测其内部结构的难度非常大,而数值模拟方法恰可以弥补这方面的不足。目前针对连续旋转爆震波发动机已开展了较多的数值研究[6,7,8,9,10,11,12,13,14,15],所揭示的内部流场结构与试验观测结果基本一致(见图1),另外还定性研究了燃烧室长度、燃烧室直径、尾喷管构型、推进剂喷注速度等因素对流场结构和发动机性能的影响,但针对连续旋转爆震波的自持机理还有待进一步的探讨。把坐标系建立在旋转爆震波上的内部流场分布如图1所示,连续旋转爆震波在燃烧室顶部沿周向旋转传播,波后的高温高压燃烧产物作用在上一轮燃烧产物上形成了一道斜激波。随着爆震波后燃烧产物的膨胀,燃烧室顶端入口处压力不断下降,当其低于推进剂喷注压力时,将会有可燃气进入燃烧室。与高温燃烧产物接触后,部分可燃气在接触面上发生爆燃燃烧,但由于爆燃燃烧速率远低于旋转爆震波的传播速度,因此在一个传播周期内,以爆燃燃烧模式消耗掉的可燃气非常有限,在旋转爆震波前总能够积累起一定高度的可燃混合层。目前的研究成果普遍认为,旋转爆震波前可燃混合层的持续更新是其能够自持传播的根本保证。而试验研究发现,连续旋转爆震波若要自持传播,其波前的可燃混合层还必须要达到一定的临界高度,因此有必要对波前混合层高度对连续旋转爆震波传播的影响开展进一步的研究。连续旋转爆震波的空间结构与其自持机理密切相关。本文首先基于详细化学反应模型对连续旋转爆震波内流场进行数值模拟,进一步揭示其空间结构特点,并基于此对波前混合层高度对空间结构的影响进行分析。由于波前可燃混合层的形成过程与上一轮爆震产物相关,爆震波前、后状态强烈耦合,通过一定的方式改变可燃层高度后,可燃气的性质也会相应改变,不便于直接对比研究可燃层高度的影响。基于此,本文设计了一个内部流场结构与连续旋转爆震波类似的算例,通过改变验证算例中波前可燃气体层的高度,对比研究了其对爆震波结构和传播过程的影响。2数值方法和计算模型的介绍2.1数值方法介绍忽略粘性、热传导和扩散等输运效应,控制方程采用二维Euler反应流控制方程,为解决方程的刚性问题,流动和化学反应部分解耦处理,对流项采用5阶WENO格式离散,时间步进采用二阶Runge-Kutta方法,化学反应部分采用8组分21反应(H,H2,O,O2,H2O,OH,H2O2,HO2)模型,具体的数值方法介绍可参考文献,此处不再赘述。2.2计算模型及计算区域本文共采用了两个计算模型,分别用于连续旋转爆震波精细空间结构和波前混合层高度影响的研究。用于连续旋转爆震波精细空间结构研究的计算模型如图2所示。通常情况下,与燃烧室直径相比燃烧室厚度较小,可以忽略其对内部流场结构的影响,沿环形燃烧室的母线把圆环剖开拉直,即可得到二维的矩形计算区。该计算区域长20cm,宽5cm,采用0.1mm的均布网格。其中Γ1为入口边界,入口工质为H2/O2/Ar预混气,各组元摩尔浓度之比为[H2]:[O2]:[Ar]=2:1:7,喷注总压p0=1.5×105Pa,总温T0=290K。设声速喷注时的入口状态为参考状态,其压力、温度分别为p*=75.494kPa,T*=226.9K,喷注速度约为310m/s。入口边界共分为三种情况:(1)当入口处压力高于喷注总压时,入口速度为零,没有预混气进入流场。(2)当入口处压力低于临界压力时,预混气声速喷注。(3)当入口处压力位于临界压力和喷注总压之间时,按照喷注公式计算预混气的喷注状态。其中Γ2为出口边界,出口环境压力pe=2.0×104Pa。根据出口马赫数,可分两种情况:(1)当出口为超声速时,边界状态根据内流场二阶外推得到。(2)当出口为亚声速时,边界点压力等于出口环境压力。将剩余的两个边界互连,相互交换参数,使得爆震波可以连续旋转传播。用于波前混合层高度影响研究的计算模型如图3所示,该模型为一等直管道,整个计算空间可分为性质不同的两个区域。区域1为H2/O2/Ar预混气,各组元摩尔浓度之比为[H2]:[O2]:[Ar]=2:1:7,区域2为惰性气体氩气,AB,BC为两个区域的分界面。该计算区域长18cm,宽4cm,BC=12cm,整个区域采用0.1mm的均布网格。其中上、下、左边界都为滑移固壁,右边界为出口,出口环境压力与初始流场压力相同,根据出口马赫数的不同分为超声速和亚声速出口两种情况。区域1的初始状态为计算模型1的参考状态,区域2的初始压力和密度与区域1相同,初始速度都为零。初始时刻在左侧固壁附近通过高温高压区快速起爆,瞬时形成的爆震波将快速向右发展、传播。当爆震波平掠区域2时,一方面其可以在流场上侧高度为h的可燃气体层内继续传播,另一方面爆震波将在区域2内形成透射激波。由于两者的传播速度不同,且爆震波后燃烧产物的压力要高于透射激波后的压力,两者之间将会形成一道斜激波,其流场结构与连续旋转爆震波极为类似。通过改变区域2上侧可燃气层的高度h,即可对波前混合层高度的影响开展对比研究。3结论分析3.1结构参数对爆震波场的影响计算模型1所得的内部温度场分布如图4所示。其中1是预混区,2是爆震波后的燃烧产物,3是旋转爆震波,4是上一轮燃烧产物区,5是预混区1与上一轮燃烧产物的交界面,由于两侧的热力学状态不同,Kelvin-Helmholtz不稳定效应使得接触面OC发生褶皱,在此交界面上部分预混气发生缓燃燃烧,6是斜激波,7是斜激波后的上一轮燃烧产物与爆震波后燃烧产物的交界面。旋转爆震波在出口侧无几何约束,波后爆震产物发生单边膨胀,空间结构比较复杂。距入口壁面不同距离处的压力沿x轴分布如图5所示,随着距离的增加,爆震波后的压力峰值逐渐降低,这一方面是由于爆震波前预混气的状态分布不均匀,同时也与各处爆震波的强度不同相关。考虑到单边膨胀的影响,把坐标系建立在旋转爆震波上的内部流场结构如图6所示。波前预混气具有一定的轴向喷注速度,爆震波面需垂直于来流的合速度,因此靠近入口壁面处的BA段波面稍有倾斜,其波后峰值压力的变化主要是由预混气进入流场后进一步膨胀导致状态分布不均而引起。由于斜激波后压力较低,爆震波面将受到来自斜激波侧的一系列稀疏波的衰减,OA段离斜激波较近,受影响的程度大,爆震强度明显减弱,波阵面落后于BA的延伸线,波面在此发生弯曲,呈现为弧形,破坏了爆震波原有的倾斜角度。受爆震产物单边膨胀的影响,连续旋转爆震波的整体强度和传播速度都有所下降,其旋转传播速度为1.577km/s,加上喷注速度的合速度为1.607km/s,低于参考状态下的C-J速度1.696km/s。由此可见,连续旋转爆震发动机的特殊构型使得爆震产物单边膨胀,爆震波受来自斜激波侧的一系列稀疏波的衰减,越靠近入口壁面受影响的程度越小,爆震波高度成了衡量其整体抵御衰减能力的重要参考尺寸,有必要对其开展对比研究。3.2爆震波与斜激波的相互作用在计算模型2上,共进行了h=2cm,h=1cm和h=5mm三个算例。前两个算例在所给的计算区域内,爆震波都能够自持传播而不熄灭,而当h=5mm时,爆震波平掠惰性气体传播一段距离后出现解耦现象,不能够自持传播。可燃层高度为2cm和1cm时,爆震波快传至计算区域出口时的温度场分布如图7所示。当爆震波传播至界面AB时,由于流场上侧有可燃气体存在,其能够继续传播,而流场下侧的惰性气体不参与反应,使此处的爆震波熄灭,但爆震波已生成的高温高压产物可在区域2内形成透射激波,继续向右传播。激波的传播速度低于上侧的爆震波,因此在爆震波与透射激波之间会形成一道过渡的斜激波。爆震波与斜激波、斜激波与透射激波、透射激波与下壁面之间都有着相互作用,整个流场结构高度非定常,但流场上侧爆震波附近的结构比较稳定。图7所示的流场分布中,1为波前预混气,2是爆震波后的燃烧产物,3为爆震波,4是波前惰性气体区,5是波前可燃气体与惰性气体分界面,6是斜激波,7是斜激波后的惰性气体与爆震波后的燃烧产物的接触面。两种情况下距上壁面不同距离处的压力沿x向分布如图8所示,由图可知,可燃混合气体主流区域内的爆震波受惰性气体侧稀疏波影响的程度小,爆震波强度比较一致;而惰性气体界面附近的爆震波受稀疏波衰减的比较厉害,波后压力峰值明显降低,传播速度也有所下降,波阵面落后于可燃混合气体主流区域的爆震波阵面,且发生了弯曲。综合可见,该工况下的爆震波也具有单边膨胀的特征,空间结构与连续旋转爆震波类似。由图8通过对比可知,h=1cm时,由于波前可燃层高度较小,爆震波整体抵御稀疏波影响的能力较弱,其爆震波后的压力峰值较h=2cm时的相比明显偏低。h=1cm时,爆震波传至计算区域出口时的平均传播速度为1.518km/s,而h=2cm时的传播速度为1.585km/s,爆震波强度更强。在此两种工况下,由于波前可燃层的高度较大,使得爆震波能够抵御稀疏波的衰减而不熄灭,都成功的传播出了所给的计算区域。当h=5mm时,爆震波传播一段距离后的密度和OH基分布如图9所示。通过对比可知,此时的流场结构与上述的类似,但由于此时波前可燃气体层高度小,爆震波抵御稀惰性气体侧稀疏波衰减的能力弱,波阵面发生严重变形,爆震波传播一段距离后出现了前导激波和燃烧锋面解耦的现象,爆震波不能够自持传播。4爆震波的高度通过以上分析,本文所得的主要结论如下:(1)详细分析了连续旋转爆震波的空间结构特点,受斜激