王治武, 陈星谷, 郑龙席, 彭畅新, 卢杰

(西北工业大学 动力与能源学院, 陕西 西安 710072)

脉冲爆震发动机(pulse detonation engine,简称PDE)是一种利用脉冲式爆震波产生推力的新概念发动机,由于它具有热循环效率高、结构简单、工作范围宽及可靠性高等潜在优点,被人们认为是一种有发展前途的推进技术[1-2]。如何以较小的点火能量起爆碳氢燃料和空气的混合物,并在较短的距离和时间内形成稳定的爆震波是PDE走向工程应用的关键问题之一[3]。已有研究表明,采用热射流点火可有效减小爆震波的形成距离和时间[4-5]。

国内外对热射流起爆爆震波特性进行了一些试验和数值研究。C.M.Brophy等人的研究发现,爆震波传入主爆震室后会出现衍射现象,激波强度将减弱,导致直接起爆失败,主爆震室中形成局部热点,促成二次起爆[6]。R.Knystautas等人对射流的起爆机理进行了研究,研究表明燃烧产物和可燃物的掺混可以起爆爆震波[7-8]。F. Carnasciali等人研究了氢气/氧气当量比混合物在一定氮气稀释条件下的热射流起爆问题[9]。李牧等人对多爆震室串联热射流起爆进行试验研究[10]。于军力等人采用射流火焰的点火方式进行了爆震管中乙炔和空气混合物从爆燃向爆震转捩的试验研究[11]。曾昊等人对横向爆震射流起爆爆震的过程进行了数值模拟,研究了爆震射流位置和填充速度对其的影响[12],并对环形射流的初始压力以及喷口位置对起爆影响进行了分析[13-14]。秦亚欣等人对3种不同结构形式的环形预爆管的爆震发生器进行了数值模拟,研究环形爆震波聚焦起爆现象及其气动特性[15]。王治武、陈星谷等人对横向射流的压力、速度以及温度对爆震波起爆的影响规律进行了数值研究[16]。

根据排气射流的状态,热射流可为3种类型——亚声速射流、超声速射流和爆震射流。上述研究主要对爆震射流起爆爆震波过程进行了分析,并且在数值研究中都是利用高温高压区直接触发爆震波的点火方式来获得爆震射流。到目前为止,很少有对3种类型的射流起爆爆震波过程进行系统的研究。本文利用热点火方式首先在不同长度预爆管中获得三种类型的射流,从点火到形成射流的过程与实际过程相近;在此基础上重点对3种类型的射流起爆爆震波的过程进行数值研究,研究结果对于脉冲爆震发动机的设计以及工程应用具有一定的参考价值。

1 物理模型和计算方法

物理模型如图1所示,采用二维平面数值模型。计算域包括预爆管、主爆震室以及外场3部分。主爆震室的左端封闭,起推力壁的作用;右端开口,起排气的作用,其宽为30 mm,长600 mm。与主爆震室正交的预爆管宽为10 mm,其中心线离主爆震室左端壁面20 mm。设置了3种不同长度的预爆管,其长度分别为80 mm、100 mm以及200 mm。预爆管的上部分加有正方形障碍物,用于加速燃烧反应,促进爆燃向爆震转变(deflagration-to-detonation transition,DDT),障碍物尺寸为1.5 mm×1.5 mm,间距为10 mm。预爆管的下部分为光滑壁面,其长度为48.5 mm。设置长9D×6D(D为主爆震室内径)的外场以模拟主爆震室出口环境。外场与主爆震室轴向重叠区域长度为3D。

计算采用非稳态二维N-S方程及有限体积法求解。化学反应采用5组分单步不可逆有限速率模型。湍流模型为标准k-ε模型,近壁面利用标准壁面函数处理。采用温度梯度自适应方法加密局部网格,以适应局部参数的剧烈变化。假设混合气体都是理想气体,忽略扩散、黏性和热传导等输运过程。

预爆管以及主爆震室中的混合物是化学恰当比的丙烷/空气混合物,初始温度为300 K,初始压力为0.1 MPa,为静止状态。外场的气体为空气,初始温度为300 K,初始压力为0.1 MPa,为静止状态。预爆管中采用热点火方式,点火区的温度为1 500 K,点火区为半径为3 mm的圆形区域,如图1所示。通过调节预爆管长度可以获得不同状态的射流,这些不同状态的射流可以归为上述3种类型射流,即亚声速、超声速和爆震射流。为了便于分析,预爆管内监测截面的位置如图1中S1和S2所示。S1距离预爆管出口20 mm,S2在预爆管出口处。

图1 物理模型示意图

2 计算结果与分析

预爆管中填充了气态燃料,点火后首先形成层流火焰,在障碍物以及壁面的作用下,加快燃烧反应,使火焰不断加速,最后完成爆燃向爆震转变。因此,预爆管长度从小到大变化时可以获得不同类型的热射流。因为主要是研究不同类型热射流起爆主爆震室中可燃气体的过程,所以以下云图中只显示了主爆震室的云图。

2.1 亚声速射流的起爆过程

图2为预爆管长度为80 mm时,S1和S2位置处的压力以及温度随时间变化的分布曲线。P1和T1分别对应S1位置处的压力和温度。P2和T2分别对应S2位置处的压力和温度。由P2和T2的曲线可知,压缩波在火焰之前传到预爆管出口,并且压缩波的最大压力只有0.25 MPa左右,火焰在大约282 μs时传入主爆震室。由T1和T2的曲线可以估算出火焰的传播速度大约为296 m/s,而此时由CEA软件算出未燃气体的声速为339.7 m/s,比较可知此时获得的射流为亚声速射流。

图2 S1和S2位置处的压力以及温度随时间变化的分布曲线

图3 主爆震管随时间变化的压力云图

图3给出了不同时刻主爆震室中的压力云图。由图可知t=220 μs时,亚声速热射流的压缩波已经传入到主爆震室,此时的压力只有0.2 MPa左右。压缩波与左壁面以及下壁面发生碰撞作用,使得该区域的压力有所增加(245 μs、265 μs、300 μs的图),并反射出压力更大些的压缩波(320 μs的图)。压缩波接着在上下壁面进行往复地碰撞、反射作用,在此过程中压缩波的压力有小幅度增加,并且压缩波向右传播,向右传播的压缩波随着时间的推移逐渐减弱(345～480 μs的图)。505 μs之后,主爆震室中的压力进一步上升到0.5 MPa,最高的有0.8 MPa(540～700 μs的图),这主要是热射流的火焰传入主爆震室后点着可燃气体,并在压缩波的压缩、反射作用下加速燃烧放热引起的。但是最终爆震室中的压力也没有超过1 MPa(800 μs的图),只是产生了一道激波,因此可以判断爆震室中没有形成爆震波。综合上述分析,亚声速射流不能成功起爆主爆震室中的可燃气体。

2.2 超音速射流的起爆过程

图4给出了预爆管为100 mm长时,位置S1和S2处的压力以及温度随时间变化的曲线。由P2和T2的曲线可知,压缩波在火焰之前传到预爆管出口,并且此时压缩波的最大压力只有0.28 MPa左右。火焰在大约352 μs时传入主爆震室。由T1和T2的曲线可以估算出火焰的传播速度大约为370 m/s,大于声速,所以可知此时获得的热射流为超声速热射流。

图4 S1和S2位置处的压力以及温度随时间变化的分布曲线

图5给出了预爆管为100 mm时产生的超声速射流起爆主爆震室过程的压力云图。t=280 μs时,压缩波已经传入主爆震室。280～480 μs时,压缩波的变化与亚声速射流时的变化很相似,都是通过与各壁面以及压缩波之间的作用使得该区域的压力增加,压缩波的强度增强,但是超声速射流时压缩波的强度增强更大些。488 μs时,下壁面反射出的较强压缩波与左壁面以及上壁面发生碰撞作用,都反射出了更强的压缩波(494～500 μs的图)。t=510 μs时,左端壁面以及上壁面反射的压缩波在左上角区域相互碰撞,形成一个高压区,压力大于1 MPa。高压区驱动了一道激波,激波向下传播时,与左壁面作用产生了一个热点(520 μs的图)。热点沿着壁面向下传播并迅速发展为局部爆震。局部爆震传播到下壁面后并没有继续增强,反而熄灭了,只形成一个高温高压区并驱动一道新的激波(532 μs的图),这主要是因为该区域的可燃气体已经烧完,没有可燃气体支持局部爆震的进行。虽然热点和局部爆震没有继续增强形成爆震波,但是热点和局部爆震的产生加快了燃烧放热,有利于促进爆震波的形成。由于压缩波的相互叠加、波系以及壁面之间的相互作用使得靠近前方的一道压缩波压力增加,强度加大,并在568 μs时在与上壁面相互作用的区域产生局部爆震。局部爆震急剧增大,到572 μs时就充满了整个主爆震室。局部爆震与下壁面发生碰撞,反射出一道横波(590 μs的图)。横波扫过区域的弧形爆震波将被拉平。t=604 μs,横波扫过了整个爆震室,弧形爆震波变为平面爆震波,此时的爆震波峰值压力约为3.5 MPa,大于C-J压力。由600 μs和604 μs时的图可以估算出爆震波的波速约为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离左端壁面约为211 mm,文中定义该距离为爆震起爆距离。

图5 不同时刻主爆震室中的压力云图

2.3 爆震射流的起爆过程

图6给出了预爆管为200 mm长时,位置S1和S2处的压力以及温度随时间变化的曲线。由图可知,P1和P2的峰值压力都大于3 MPa,远大于C-J压力。激波和火焰是同时传到S1和S2处的,说明激波和燃烧锋面耦合在一起。火焰在大约416 μs时传入主爆震室。另外,由图可以计算出激波的传播速度大约为2 350 m/s,大于C-J速度。综上分析可知,当预爆管长度加长到200 mm时,在预爆管中形成了爆震波,即获得了爆震射流。

图6 S1和S2位置处的压力以及温度随时间变化的分布曲线

图7给出了预爆管为200 mm时产生的爆震射流起爆主爆震室过程的压力云图。t=418 μs时,预爆管产生的爆震射流已经传入主爆震室,在衍射的作用下,爆震波的强度被削弱,波面发生弯曲,变为了弧形爆震波(426 μs的图)。弧形爆震波向左端壁面传播,t=430 μs时与左端壁面碰撞,发生规则反射,反射波区域的压力相应的增加了不小。弧形爆震波继续向下传播,同样与下壁面碰撞(434 μs的图),发生规则反射,反射波区域的压力急剧上升形成一个高压区,并产生了一道向上传播的横波。与此同时,弧形爆震波还与上壁面作用,但其作用相比于与下壁面的作用力度要小得多。上传横波与右行弧形爆震波相互作用,使得横波作用过的弯曲爆震波面变平(444 μs、454 μs的图)。t=468 μs时,横波扫过整个爆震室,整个爆震波面变平,形成了平面爆震波,此时爆震波的峰值压力约为2.9 MPa,大于C-J压力。由464 μs以及468 μs时的图可以估算出爆震波的波速约为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离为125 mm。

图7 不同时刻主爆震室中的压力云图

2.4 3种类型射流起爆过程对比

由以上分析可知,现有计算状态下,亚声速射流不能在主爆震室中起爆爆震波,超声速射流以及爆震射流都能够在主爆震室中起爆爆震波。超音速射流起爆爆震波的时间为604 μs,起爆距离为211 mm。爆震射流的起爆时间和距离分别为468 μs和125 mm。爆震射流的起爆时间和距离相对于超声速射流要小得多。对于超声速射流起爆而言,从点火到预爆管产生的火焰传入主爆震室的时间为352 μs,而火焰传入主爆震室到产生平面爆震波的时间为252 μs。对于爆震射流,从点火到爆震射流传入主爆震室的时间为416 μs,而火焰传入主爆震室到产生平面爆震波的时间为52 μs。对比可知,产生爆震射流的时间比产生超声速射流的时间长了64 μs,但是爆震射流在主爆震室中形成爆震波的时间却比超音速射流的少了200 μs,这就是爆震射流的起爆时间比超声速射流的要少的原因。

3 结 论

通过数值模拟,在3种不同长度预爆管中利用热点火获得了3种不同类型的射流,并以此为基础对不同类型射流起爆主爆震室中可燃气体的过程进行了系统的分析、比较,得出以下结论:

1) 现有条件下,亚声速射流不能在主爆震室中起爆爆震波,而超声速射流以及爆震射流均可以在主爆震室起爆爆震波。

2) 超声速射流要经过多次的压缩波以及激波的反射作用形成热点、高温高压区以及局部爆震最终才形成平面爆震波。而爆震射流与上、下壁面发生一次碰撞就产生了横波,在横波的作用下很快形成了平面爆震波。

3) 形成爆震射流的时间比形成超声速射流的时间要长,但是爆震射流在主爆震室中起爆爆震波的时间比超声速射流的要短得多,所以总的来看爆震射流起爆主爆震室的时间比超声速射流短136 μs。爆震射流起爆主爆震室的距离比超声速射流小86 mm。

4) 爆震射流起爆爆震波的过程中,从点火到形成爆震射流占了整个过程的绝大部分时间,因而对产生爆震射流这一阶段进行有效的改进和加速将可以减少总的起爆时间。

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