连续旋转爆轰发动机隔离段流场数值模拟研究.docx

1、弹道学报JournalofBallisticsDOLIO.12115j,is$n.l004-499X（20H）l）2-007连续旋转爆轰发动机隔离段流场数值模拟研究郭凯欣厅翁春生厅武郁文（南京理工大学瞬态物理国家重点实验室祥江苏南京210094）摘要:为了研究连续旋转爆轰发动机（CRDE）隔离段的反压特性府建立了等直隔离段以及带扩张段的隔离段模型由用FLURNT对这2种构型的隔离段进行三维数值模拟由研究了旋转爆轰波在隔离段内向上游传播的特性由分析了不同结构对流场结构'激波串前传位置的影响小对同一结构府分析了反压大小、旋转速度对其的影响用研究结果表明府反压在隔离段内与附面层相互作用府诱导

2、出复杂激波和膨胀结构府形成了激波串用反压扰动在隔离段中前传的距离与隔离段的构型、反压旋转速度和大小有关:等直隔离段的抗压能力相对更强R反压旋转速度或压力增加标都会使得扰动区域增加M数值模拟结果对CRDE隔离段反压特性研究以及结构设计具有一定参考价值JH关键词:爆轰发动机0旋转爆轰反压0隔离段0流场结构中图分类号:V231.3文献标识码：A文章编号：10。厂499X（2019）0厂0035-。7NumericalInvestigationofFlowFieldinContinuousRotatingDetonationEngineIsolatorGUOKa:iinWENGChunshenWUYu

3、wen（NationaKeyLaboriloryofTramien:PhyiicjiilNaniingUnirefjiiyofScience&TechnolonNiniin?210094»IChini）Abstract：Toinvestisatethecharacteristicsofthebackpressureinacontinuousrotatingdetonationengine（CRDE）ijolaloriii'themodelsofslraightisolalorandisolatorwithanexpansionseclionwereestablisbe

4、d.Thethreedimensionalnumericalemulationontheisolatoroitheiwoconiigurationswascarriedou:byFLURNT.Thecharacteristicsoftherotatingdetonationwavepropagatingupdreamintheisolatorwereanalyzed.TheinfluencesofdifferentitructuresonlhefhwfieldHruclureandtheforwardpositionoftheshocktrainwereanalyzed.Forthesames

5、tructureittheiofIuencesofthebackpressureandtherotationa1speedonitwereanalyzed.TheresultsshowthatlhebackpressureinleractingwiththeboundarylayerinlheitolalorcaninducecomplexshockandexpansionJiruciureslitformingashocklia:n.Thedistanceforwardedbythebackprenureintheisolatorisrela:edIotheconfirmationofthe

6、isolatorHiandlhespeedandmagnitudeoflhebackpressurerotation.TherelativelyenhancementollhepressureresistanceofthestraightisoIatoritbeincreasingofthebackpressurespeedorpressurecanincreasethedisturbancearea.Thenumericalsimulationresultshavecertainreiereneevalueforthebackpressurecharaclerislicsandstructu

7、raldesignoftheisolatedrotatingdetonationengine.Keywords：detonationengineRotatingdelonalionbackpieisureJPisolatorjPflowfieldstructure收稿日期：20)8-10-25基金项目：国家自然科学基金项目(702143)JI国防预研基金项目(6142604D201162604002)作者简介：郭凯欣(1994-女扑页士研究生R研究方向为连续旋转爆轰发动机IfE_mi'：461708539l#通信作者：翁春生(1964-)if男it教授it博士生导师il研兖方向为推进技

8、术NE_miil;wenicj,连戟转像轰发动机(continuousrotatingdetonationenginetfCRDE)是一种新型发动机仲现有的航空航天动力系统主要基于常规的等压燃烧方式且此类发动机的发展己经相对成熟R性能难以再取得重大突破冲与传统的发动机相tWCRDE基于爆轰燃烧£爆轰波近似于等容燃烧贵理论上具有比等压燃烧更高的热循环效率和热释放速率村专播速度可达千米每秒量级R具有结构紧凑、燃烧速率快'热效率高、高比冲等特点用此外R爆轰波沿与流向垂直的圆周方向的动态传播也增加了燃烧的稳定性1，_23I但是在工作过程中V燃烧室入口处的压力在空间上非均匀分布f且每个

9、位置的压力都随时间变化麻其反压环境会对上游来流产生较大影响R因此在燃烧室上游需设置隔离段月隔离段位于进气道与燃烧室之间#主要作用是承受燃烧室的反压环境R同时防止燃烧室产生的扰动前传而影响进气道的流动状态苜温玉芬5通过数值模拟与实验相结合的方法府对脉冲爆轰发动机进气道的流动特性进行了研究府分析了周期性爆轰压力的扰动对进气道流场结构的干扰作用玳以及不同爆轰波特性、不同进气道布局形式对进气道流动特性的影响就王超等e开展了吸气式连续旋转爆轰试验竹对隔离段和燃烧室压力进行测量针分析了连续旋转爆轰对空气来流的作用竹并考虑了燃烧室尺寸的影响用试验发现了吸气式连续旋转爆轰与来流的3种相互作用：来流总压不变府且

10、不存在高频压力震荡0来流总压不变玳但存在高频压力振荡府且与连续旋转爆轰波传播频率相同川来流存在与连续旋转爆轰波传播频率相同的高频压力振荡浦来流总压升高矿且随着燃烧室流通面积的减小仃连续旋转爆轰波引起的隔离段中的高频压力振荡峰值增加巾频率上升*对来流的影响增强剧Su等也通过数值模拟研究了正弦脉动反压下超燃冲床发动机隔离段壁面的压力振荡特性用上述文献中的研究没有涉及到连续旋转爆轰发动机的隔离段的构型对其反压特性的影响用隔离段内的流动特性不仅受入口与出口条件的影响面还与其几何构型有着密切的关系用常见的隔离段构型为等直管道叫旦超燃冲压发动机燃烧室里普遍采用了扩张角和后台阶的结构面此类结构一般也承担着一

11、定的抗反压的作用用因此本文用FLUENT软件对等直及渐扩隔离段进行了三维数值模拟府研究了旋转爆轰波在隔离段内向上游传播的特性面分析了隔离段结构对流场结构和激波串前传位担的影响仲对同一结构R分析了反压大小和旋转速度对其的影响玳为后续的研究奠定了基础用1计算模型与数值方法1.1计算模型连续旋转爆轰发动机的燃烧室通常为环形结构就因此选择环形结构的隔离段用隔离段包括等直构型、带扩张段构型竹如图1所示据其中等直隔离段总长度为90mm#内径为40mmHT外径为60mmji1带扩张段构型的隔离段总长度为170mm由其中扩张段长度为100mm#入口处外径为44mm#扩张角度为9.1°I采用网格前处理

12、软件1CEM对模型进行网格划分宿吏用六面体结构化网格府为了保证计算精度®同时控制网格数量面在隔离段主流方向、半径方向和圆周方向分别布置了180、36、200个网格诉网格总数约为128万用为了更好地反映近壁面的附面层流动面还对内外壁网格进行了局部加密冲壁面第一层网格高度为0.Olmmttt保证壁面处y'UORy为第一层网格中心到壁面的无量纲距离映图1计算模型1.2计算方法本文利用FLUENT求解器府基于理想气体假设if采用UDF模拟旋转爆轰反压府不考虑化学反应祥考虑粘性作用砰采用密度基显式算法求解N-S方程明对流项选用对激波具有较高捕捉精度的三阶MUSCL格式进行离散命物理通量

13、利用AUSM格式进行分解#时间项采用Runge'Kutla法进行处理山中为了能够较好地捕捉旋转爆轰反压与边界层的相互作用的时间步长取0.01uslit以保证计算精度用1.3边界条件与初始条件本文计算区域的边界条件有如下3种网 壁面边界条件用隔离段内外壁面均为无滑移、无穿透、绝热固壁边界用 压力入口边界条件描入口马赫数Ma=1.5HT总压p.=0.4MPaiJ静压Pi=0.107MP河总温为T=606KW 压力出口边界条件用初始时刻面对隔离段内流场以入口条件初始化评为避免出口反压在超声速条件下压力外推府对出口处网格分区初始化府并对其赋予亚声速初始条件用本文考察了不同反压大小、爆轰波传播速

14、度对流场的影响由反压大小由恢复区压力和压力振幅组成R分别对应图2(a)中的ppB值府相应的算例初始参数见表1M表中ifv为爆轰波传播速度N为了模拟由于爆轰波在环形燃烧室内持续旋转传播产生的旋转反压e*本文用指数函数拟合了反压振型if反压沿圆周方向的分布如图2(a)所示巾并通过UDF导入算例作为隔离段出口处的压力边界条件巾图2(D中祀为隔离段环面的极角坐标用由函数拟合得到的隔离段出口边界压力云图与文献8中旋转爆轰燃烧室入口处的压力云图如图2(b).图2(c)所示#由图可知W沿周向分布的压力变化趋势是一致的用表1算例及初始条件参数算例隔离段构型v(m.'1>p./MPapi/MPa1

15、等直180(10.150.302等直180(10.300.603扩张18000.150,304扩张16000.150.305扩张1OOO0.150.306扩张18000.130.267扩张18000.100.20图2隔离段出口压力分布2计算结果及其讨论2.1等直隔离段内流场结构分析图3和图4给出了算例1和算例2外壁面、隔离段截面上的压力与马赫数分布云图用由图3可知面当爆轰反压较低时仃旋转反压上升至一定高度以后的不再继续向上游传播祐甚至被抑制在隔离段出口附近用由图4可知帅增大反压后的反压不断向上游传播用拖曳出一道斜激波面的沿着轴线方向螺旋上升祥受扰动的区域逐渐向上游扩展用从压力及马赫数分布云图上

16、可以看出价沿气流流动的方向的附面层逐渐加厚命静压逐渐升高的马赫数逐渐降低用随着反压的扰动沿附面层向上游传播仃在附面层附近产生压缩波面从而形成斜激波面在斜激波后的压力升高很多用斜激波在中心线相交以后府被互相压缩府又产生了斜激波系麻斜激波系反射向壁面府并和壁面撞击井壁面处的压强急剧升高府从而使得附面层分离用气流分离区与核心区压强的差异导致激波在壁面附近发生普朗特-迈耶反射讨形成稀疏膨胀波讨膨胀波和斜激波重复出现5K形成了激波串成这与文献1。-12中在圆截面等直隔离段中观察到的激波串结构是相似的由沿着气流的方向浦隔离段中线处的静压交替上升、下降质马赫数的变化趋势则刚好相反明可见厅反压的增加会使激波串

17、出现并向上游移动用算例2中反压不断前传矿直至将首道斜激波推出隔离段R整个流场变成亚声速进气条件府因此在该边界条件下砰隔离段满足不了抑制旋转反压的要求出图3算例1流场分布图4算例2流场分布2.2带扩张段的隔离段内流场结构分析通常认为入口马赫数越大R隔离段的抗反压性能越强府但是引入扩张角将会逐渐改变隔离段的高度、边界层的厚度、马赫数等条件R实际上沿程不仅马赫数增大了府压力也减小了质而压力的减小又对抗反压能力不利竹综合考虑情况较为复杂用因此府考虑在原本的等直隔离段构型前面加一段扩张段厅观察其流动特性用图5为带扩张段的隔离段在不加反压时的纯流动流场M从图中可以看出府在扩张段内面来流不断加速就马赫数达到

18、3以上府压力降低目经过等直段时面压力和速度基本保持不变用图6为算例3的流场分布图用图5带扩张段隔离段在无反压时的纯流动流场图6算例3流场分布从图6中可以看出府由于扩张段的存在祁付面层的分离更加严重由而且厚度迅速增加帅激波与附面层的干扰更强府反压螺旋着向上游传播面相比等直隔离段更容易沿着附面层向前传面且反压传至靠近扩张段入口处的某一位置后面不再继续向上游发展府该位置即代表爆轰波所能影响的最上游的位置由但是本文算例中该位置并不是一个平面府暂且将其最上游的位置称为“极限位置”用以算例3作为基准算例府控制变量府分别改变爆轰波的旋转速度和压力峰值由与算例4、算例5和算例6、算例7做比较用2.2.1反压旋

19、转速度的影响图7、图8中反压的旋转速度分别为1600m/s#1000m/sf云图形状基本与算例3类似W由于扩张段单侧扩张#内壁面的附面层分离现象要远小于外壁面面在经过极限位置的一道斜激波以后B气流速度降为亚声速寸在扩张段内逐渐减速#到等直段时面马赫数己经非常小了不利于进气*将算例3、算例4、算例5的云图对比可以发现户随着反压旋转速度的下降R压力云图上这条螺旋的高压线的“螺距”增加了由反压能到达的“极限位置”降低用2.2.2反压大小的影响图9和图10分别给出了算例6、算例7外壁面、轴截而上的压力与马赫数分布云图用算例6、算例7中反压的大小分别为0.26MPa和0.20MPaf随着出口反压的降低府

20、受扰动的区域减少W首道斜激波的位置下降面即“极限位置”向后推移了甘龄图9算例6流场分布图7和图8分别给出了算例4、算例5外壁面、轴截面上的压力与马赫数分布云图做潮融蹒花图10算例7流场分布做潮融蹒花图10算例7流场分布2.3旋转爆轰波压力及传播速度对隔离段流动特性的影响2.3.1对等直隔离段的影响图11和图12为不同反压下等直隔离段沿圆环中心轴线及内外壁面的沿程压力和马赫数分布用1.加电Kgfit微叔国魏微线、值钢图1】算例1中心面及内外壁面沿程压力和马赫数分布图12算例2中心面及内外壁面沿程压力和马赫数分布图11右端为隔离段入口用算例1沿程压力一直缓慢增加厅直至距离隔离段出口0.1m处竹中心

21、线压力突升府内外壁面相对变化较为缓慢针且外壁面的压力波动略小于内壁面用马赫数首次突然下降的位置对应于静压上升的位置竹且可以明显看出府中心线的马赫数最高讨外壁面次之针内壁面最低用算例2的旋转反压高于算例1府所以等直隔离段内反压向上游传播的距离远大于算例14且压力峰值逐渐降低并趋于平缓讨隔离段内变为亚声速流动用2.3.2对渐扩隔离段的影响图13为算例3中3条贯穿隔离段的轴线的沿程压力和马赫数分布映y=0.20m为内壁面上的一条轴线（Jy=0.21m为扩张段入口处的中心轴线ijy=0.22m则相当于扩张段入口处的“外壁面，就由压力图可以看出面3条线儿乎重合从马赫数图可见,y=0.21m处的马赫数值高

22、于另外2条线面且尸=0.20m处#即内壁面靠近扩张段出口处有一段马赫数趋势相反仲图14马赫数图的峰值所对应的z坐标则代表反压前传的“极限位置啊算例3、算例4、算例5的“极限位置”依次远离入口*即随着反压旋转速度的降低府反压前传的距离减少目算例3、算例6、算例7的“极限位置”也依次远离入口府即随着反压的降低巾反压前传的距离也减少用但是府压力对于极限位置的影响大于旋转速度的影响用图13算例3中心面及内外壁面沿程压力和马赫数分布I_n_I_i】Rg岫蚣iLW心咖故株密侃伐iiw四您1潮m图14渐扩隔离段中心面及内外壁面的沿程压力和马赫数分布在等直隔离段中竹激波基本沿着隔离段中心环面与内外壁面对称府且

23、在等直隔离段环面中心形成了一道正激波竹随着反压的增大激波与附面层的干扰作用增强麻附面层厚度增加用带扩张段的隔离段中的激波串则呈非对称分布状态祥并且在隔离段内未形成正激波行但是在首道斜激波之后的与内外壁面发生了不同程度的附面层分离府且附面层分离较为严重用3结论本文采用2种隔离段构型研究了旋转爆轰反压在隔离段内的流动特性厅得出以下结论： 在等直隔离段中由随着旋转爆轰反压的增加府旋转爆轰波向上游传播府在隔离段内形成斜激波系小在首道激波的下游面附面层逐渐加厚府静压逐渐升高府而马赫数逐渐降低用由于激波与附面层的相互作用府发生普朗特-迈耶反射府形成了激波串用 同样在0.30MPa的反压条件下®在

24、带扩张段的隔离段中反压前传的距离比等直隔离段要更靠近入口面因此等直隔离段抗扰动的能力比带扩张段的隔离段更强用 在带扩张段的隔离段中竹反压一直前传至扩张段内R并基本稳定在某一位置针且该位置与反压的旋转速度及大小有关用随着反压旋转速度的减小祐反压向上游的扰动也减小0随着反压的增大府反压最终稳定的位置也越靠近入口处用改变压力比改变速度引起的变化更明显用参考文献刘世杰林志勇&覃葱B等.连续旋转爆震波发动机研究进展J.E航导弹»i2010ii2:7D-75.LIUSbijieilLINZhiioD；TANHuillelal.Renircbprogiessofconlinuouirola

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