脉冲爆震发动机进气装置气动特性研究-本科毕业论.ppt

西北工业大学 本科毕业设计论文,脉冲爆震发动机进气装置气动特性研究 专业名称： 飞行器动力工程 指导老师： 郑 龙 席 姓名： 赵 伟 学号： 061567 班级： 07010605 毕业时间： 2010年7月,一脉冲爆震发动机简介 脉冲爆震发动机是一种利用脉冲式爆震波产生推力的新概念发动机（Pulse Detonation Engine ,简称 PDE）。 PDE由进气道、阀门、点火器、爆震室、喷管等组成。一个工作循环包括进气、喷油、点火、燃烧（含爆震波的生成及传播）及排气。整个工作过程是间歇性的、周期性的。当爆震频率很高时，例如大于100Hz时，可近似认为工作过程是连续的。由于爆震波能产生较高的压比，可以消除笨重昂贵的高压供给系统的需要，从而降低推进系统的质量、复杂性、成本以及封装体积。 PDE还可以在变化范围宽广的飞行马赫数（Ma）下工作。PDE根据是否采用大气作为工质，它可以分为吸气式脉冲爆震发动机和火箭式脉冲爆震发动机。,脉冲爆震发动机基本循环,脉冲爆震发动机进气装置结构设计,此进气装置由四段交叉突壁结构（黄色部分）和一个切向进气结构（蓝色部分）组成，每段交叉突壁结构由两个相同的基本结构组成。整个进气道由左向右进气通过这两个结构的组合希望达到防止气流逆向流动的目的。,3D 脉冲爆震发动机进气道俯视图,3D 脉冲爆震发动机进气道左视图,交叉突壁结构CAD设计图,脉冲爆震发动机进气装置数值模拟,总体计算要求 利用FLUENT解决脉冲爆震发动机进气装置数值模拟问题时，需要考虑以下几个问题： 1 确定计算目标。预期从CFD模型计算中获得怎样的结果？（速度场、温度场、气动力等），获得这些结果需要的时间要求多久，从模型中需要得到怎么样的精度？（气动力的误差小于百分之几等）。 2 选择计算模型。所遇到的问题是否能够简化，（三维问题是否可以简化成二维或轴对称、面对称问题），计算区域如何界定，使用怎样的边界条件，各个边界的信息是否充分，什么类型的网格拓扑结构更加适合解决所遇到的问题所有这些问题将解决计算模型的选用。 3 确定物理模型。确定有无粘度，层流还是湍流，定常还是非定常，是否需要应用其他物理模型（燃烧，多相流等）。 4确定解程序。确定是否使用默认解的格式与参数值，采用哪一种求解格式可以加快收敛，估计得到收敛解需要的时间要多久，是否需要选择高阶格式。 5 分析改进计算。根据获得的收敛结果，分析流型是否正确，关键物理现象是否模拟正确。压力、速度、温度、流量等与实验值比较是否满足模型要求。,针对以上问题，对现有模型进行分析要求:,进口速度v的确定：,进口速度由进气道后面的爆震室确定，根据爆震室的尺寸，计算在不同工况下所需的流量，以此确定在不同工况下进气道所需的流速。 1 脉冲爆震室所需流量： 尺寸：长2m 直径0.12m 计算公式： 其中 M流量 密度 D爆震室直径 L爆震室长度 n工作频率,2 进气道流量 根据设计，脉冲爆震室流量由四个进气道提供，所以每个进气道所 需流量为总流量的1/4。即,3进气道速度 根据进气道的流量，计算进气道的速度,其中 密度 A进气道截面积 V流速,综上 进气道的初始流速,初始条件： D=0.12m L=2m A=0.00135,爆震室每一个工况的工作频率对应着一个相应的流速，通过以上公式可计算出每一个工况下的进气道流速，以下计算均以频率11.25Hz、流速30m/s为初始条件。,使用GAMBIT建立模型 1 将AUTOCAD中的模型数据导入GAMBIT中，生成一个二维的流道模型。也可在GAMBIT中直接建立模型，即直接画出流道模型。,2网格划分，针对已建立的模型进行网格划分。,3设置边界条件 (1) 边界类型设定 对边界设定进行操作 (2) 给出边界的名称 入口边界条件命名为inlet 出口边界条件命名为outlet (3) 指定边界条件类型 在type类型中选 对入口选择VELOCITY-INLET 对出口选择 OUTFLOW 其他所有指定边设定为WALL (4) mesh 网格文件输出 由于本例为二位模型，所以必须选中 Export 2-D(X-Y) Mesh选项。,使用FLUENT计算,在计算前必须对GAMBIT建立的模型进行网格检查，这个操作可以得 到网格信息。从图中可以得到计算域的大小，看是否符合我们所要进行分析的计算域尺寸。还可以知道最小的网格体积。如果它的值大于0.，网格就可以用于计算，如果出现负体积的网格，就必须重新划分网格。,选择计算模型 1 求解器的定义 点击Define-Models-Solver选择压力基隐式求解 Space选择2D。其余选项默认 2 其他计算模型选定 点击Define-Models-Viscous选择k-epsilon双方程模型（k-） k-模型有较高的稳定性，经济性，计算精度，应用广泛 3 操作环境设置 点击Define-Operating Condition 参考压力为一个大气压，不考虑重力影响 4 定义流体性质 点击Define-Materials 对流体进行定义 由于FLUENT求解器默认计算区域中的流动介质为空气，默认选项,5对边界条件设定 （1）设置fluid流体区域的物质 介质为空气，默认选项。 （2）设置inlet 的边界条件 在Zone列表里选择inlet，即入口对应边，边界条件设为velocity- Inlet,设入口空气流速为30m/s （3）设置outlet的边界条件 将outlet对应的边界条件为outflow,表示其充分发展 （4）默认保持wall的边界条件 6 求解方法及其控制 （1）Solve-Controls-Solutions默认其选项 （2）初始化 （3）设置标准残差 标准残差设为0.000001 （4）保存其文件 7 迭代计算 迭代500次计算，由FLUENT看到solution is converged 表示计算结果残差都小于设定值，计算结果收敛,计算一 计算单一交叉突壁结构顺流压力场，速度场，温度场,温度场,速度场,压力场,总压损失系数为,温度几乎没有发生变化 即温度保持不变，作为恒定参量,以相同的方法，改变计算模型如下： 计算二 计算单一交叉突壁结构逆流压力场，速度场，温度场,温度场,速度场,压力场,计算结果分析总压损失系数为,计算三 计算整体交叉突壁结构顺流压力场，速度场，温度场,速度场,压力场,温度场,总压损失系数为,计算 四 计算整体交叉突壁结构逆流压力场，速度场，温度场,速度场,压力场,温度场,总压损失系数为,单一顺逆流交叉突壁结构分析,正逆流速度场对比,正逆流压力场对比,正向流动总压损失系数为 逆向流动总压损失系数为 由此可见，逆向流动总压损失系数比正向流动总压损失系数大得多，可见此结构达到防止逆向流动的目的。,正逆流温度场对比,整体顺逆流交叉突壁结构分析,整体顺逆流速度场对比,整体顺逆流压力场对比,正向流动总压损失系数为 逆向流动总压损失系数为 整体分析可知，结论与单个分析相同，但整体分析中，正逆流的总压系数都较单个大大增加，这是由于气流在流道中来回振荡所致。且同时造成流道变小，流速加快，分布不均等现象。,计算分析小结 交叉突壁结构基本达到了防止气流逆向流动的要求，但并不能完全阻止气流逆向流动。