横向射流起爆爆震波二维数值模拟

刘道坤，马 虎，张云峰,孙 波，卓长飞，邓 利

(1.南京理工大学 机械工程学院，南京 210094； 2.哈尔滨东安汽车动力有限公司， 哈尔滨 150060)

【基础理论与应用研究】

横向射流起爆爆震波二维数值模拟

刘道坤1，马 虎1，张云峰2,孙 波1，卓长飞1，邓 利1

(1.南京理工大学 机械工程学院，南京 210094； 2.哈尔滨东安汽车动力有限公司， 哈尔滨 150060)

利用Fluent软件对燃烧室内填充化学恰当比的C8H18/O2预混气体进行直接起爆，并对爆震波衍射和爆震波形成以及发展过程进行数值模拟研究；详细分析了横向射流在不同角度、不同位置条件下直接起爆燃烧室内预混气体后爆震波的传播特性和流场特点。

旋转爆震发动机;横波;起爆;衍射

旋转爆震发动机是一种基于爆震燃烧形式的新型发动机[1-2]，不仅具有脉冲爆震发动机的热循环效率高、爆震燃烧产物污染小等优点[3]，而且只需单次点火即可连续工作并产生稳定的推力，因此具有非常广阔的应用前景[4]。如何在最短的时间和距离内形成稳定自持传播的爆震波对缩短发动机有效长度，延长发动机工作时间等方面具有重要的意义，也是目前旋转爆震发动机研究领域的热门研究课题。应用于旋转爆震发动机上的起爆方式有很多[5-6]，其中热射流起爆以具有能量释放率大、效率高等优点被广泛的应用于旋转爆震发动机领域。在实际工程应用中，国防科技大学、西北工业大学以及南京理工大学，美国空军实验室等诸家国内外单位在热射流起爆旋转爆震发动机等应用方面做了不少工作[7-12]。其中，林伟等在热射流以不同速度、宽度等工况下起爆H2/Air预混气体获得爆震波等方面做了相关数值模拟[13]。王治武等在不同工况的横向射流间接起爆爆震波方面也做了相关的数值模拟[14]。李海鹏等在气相爆震波衍射现象等方面进行相关数值模拟研究[15]。但是，以上研究都没有涉及到射流直接起爆C8H18/O2预混气体获得爆震波以及爆震波发展和衍射过程。为了更加全面的了解射流在进入燃烧室后直接起爆燃烧室内预混气体后爆震波衍射发展过程以及横波在诱导产生平面爆震波时的作用，本文模拟在不同参数状态下的横向射流直接起爆燃烧室内填充化学恰当比的C8H18/O2预混气体并获得爆震波以及爆震波衍射发展过程，分析了不同射流角度和射流位置对于爆震波起爆以及发展过程的的影响。

1 物理模型和计算方法

为了对横向射流起爆等截面直爆震管后流场的特性进行分析，本文对其简化后的几何模型进行二维数值模拟研究。其简化后的几何模型示意图如图1所示。其中主计算域内填充初始压力为1 atm，温度为300 K的化学恰当比的C8H18/O2静态预混气体，采用总包反应进行数值模拟。射流管内填充化学恰当比的H2/O2静态预混气体，采用7组分8步基元反应进行计算[16]。点火区域设置在射流管的顶端，点火区压力为3 MPa，温度为3 000 K。所有边界除流场右侧出口为压力出口外，其他都设置成固体壁面边界。主计算域尺寸为宽20 mm，长400 mm。与燃烧室正交的射流管尺寸为直径12 mm，长度20 mm，射流管左侧面到燃烧室左端面的距离设置为X，整个计算区域网格都是0.2 mm的均匀网格。

图1 几何模型(mm)

本文用Fluent软件进行数值模拟，选用三阶MUSCL显式格式。假设所有气体均为理想气体，并且忽略扩散、粘性和热传导等输运过程。壁面按绝热、滑移处理。

2 计算结果与讨论

本文基于射流管在不同角度以及不同位置工况下起爆主燃烧室内的预混气体并对爆震波传播过程以及衍射现象进行数值模拟。具体工况参数以及初始条件设置由表1给出。

表1 初始参数设置和不同参数下的计算结果

2.1 不同射流角度对起爆的影响

图2给出了在case 1工况下射流管起爆爆震波以及爆震波衍射发展过程的压力云图。

图2 case 1工况下不同时刻的压力云图

从云图中可以看出，8 μs时爆震波开始从射流管中传出，直接起爆燃烧室内的初始预混气体。在射流管出口附近，由于爆震波开始从面积受限区域传到突扩的主燃烧室，在两个拐角处各产生了一道膨胀波，该膨胀波的存在使得原本的正爆震波面在经过射流管出口后，存在较为明显的“分段”现象。中间区域是未扰动的爆震中心面，波面呈正激波面，边缘区域为爆震衍射波，波面为曲面，两端爆震波的交点就是衍射爆震波和未收扰动爆震波的分界点，由于膨胀波的作用爆震波在传出射流管以后在两个拐角附近受到侵蚀,使得在拐角附近的爆震衍射波段的温度和压力明显低于爆震中心面的温度和压力，出现较为明显的压力和温度间断面，但是由于燃烧室内氧化剂的活性较高，在拐角处的衍射波段，波后的能量释放率始终大于膨胀率，使得激波并未从反应区中解耦出来。随着爆震波的发展，原本受到削弱的波面逐渐得到恢复，但是正激波面受到侵蚀现象更加严重，原有的正激波面不断受到膨胀衍射波的侵蚀而逐渐减小。爆震波面开始变得光滑。11 μs时原有的正激波面基本消失，爆震面呈现半圆弧状。12 μs 时左行爆震波到达燃烧室左壁面，随后形成一道反射激波。在反射激波、壁面和下行激波的交汇作用下，在壁面附近形成一个局部的高温高压区，该高温高压区的温度和压力分别达到点火时的1.6倍和3倍。由于左侧未燃区域附近的的化学反应在高温高压区作用下得到强化，导致爆震波下行趋势得到加强。16 μs时下行激波到达下壁面，同样在下壁面的作用下产生一道向上反射传播强度较大的横波，该横波局部压力和温度分别达到点火时的1.7倍和3.2倍。该横波与右行激波重叠的高温高压区域在右行过程中逐步被拉大，使得原本靠近上壁面向右传播的落后火焰面赶超上来，70.5 μs时原本的曲面激波在距离计算域左端170 mm时逐渐被拉平形成一个平面爆震波。根据70.5 μs和73.5 μs两个压力云图可计算爆震波速约为 2 500 m/s，比由CEA计算出来的CJ爆震速度2 199 m/s略大,说明已经达到爆震。

图3、图4分别给出了case 2、case 3两个工况下的爆震波发展过程的压力云图。图3显示了当倾斜角度θ为60°时爆震波在燃烧室内的发展过程。

图3 case 2况下不同时刻的压力云图

图4 case 3工况下不同时刻的压力云图

云图显示，在该工况下，爆震波开始从倾斜拐角处传入燃烧室。由于倾斜角度相对于case 1减小，使得爆震波在尖角处受到膨胀波的影响加大，强度受到削弱，压力和温度间断面也较case 1进一步扩大，但是该工况下同样能起爆燃烧室的混合气体，并在8.7 μs时形成一个“勺型”的爆震波面。11.5 μs 时，爆震波完全传出射流管。靠近上壁面附近，爆震波呈现出正激波面传播。由于射流管倾斜60°布置时，即使爆震波在出口附近有向左的分速度，但是在较强膨胀波的作用下，并没有使得爆震波在相对于case 1的工况下更快到达左侧壁面。13.5 μs 时左行爆震波到达左壁面，并在壁面的作用下形成一道右行反射激波。由于爆震波向下的速度分量减小，使得下行激波到达下壁面的时间有所延长。17 μs爆震波到达下壁面，并在17.3 μs时已经形成一道上行的反射横波。由于下行的激波强度被削弱，下壁面反射激波强度也较case 1工况下有所减弱，在计算域同一位置该反射横波压力和温度分别为case 1的0.9倍和0.92倍。因此上行反射横波的强度被削弱，使得横波在诱导并加强右行激波向右传播的作用减弱，74.6 μs 时原有的曲面波爆震波被拉平成平面爆震波，并稳定在燃烧室内，此时距离计算域左端为180 mm。根据74.6 μs和79.3 μs两个压力云图可以计算该工况下爆震波速度约为2 440 m/s,略低于case 1工况下的爆震速度。

当进一步减小θ角度至45°时，爆震波在竖直方向的射流分速度进一步减小，而水平向左的分速度再次增大。由于射流管倾斜角度变大，导致左行爆震波的强度受到严重削弱，这种受到削弱的爆震波进一步延长了到达左壁面的时间，14 μs 时左行爆震波到达左壁面。该工况下，射流管内爆震波在射流管右侧拐角处向下的扩展趋势要比case 1和case 2大。当爆震波传出预爆震管出口时，向下的速度值增大，导致下行爆震波到达下壁面的时间较case 1和case 2明显缩短。15 μs时爆震波到达下壁面，并随后形成一道反射激波，在经过上下壁面几次激波反射以后逐渐退化成弱激波。但在初始上行反射激波和右行激波的共同作用下的高温高压区却被逐渐拉大，爆震波在77.8 μs被拉平。由图4可以看出该时刻的位置距离计算域的左端为192 mm。由77.8 μs和79.5 μs两个压力云图可以计算出稳定驻定后的平面爆震波速约为2 200 m/s，近似等于CJ爆震速度。

图5和图6分别显示了在case 1、case 2、case 3三种工况下爆震波到达主燃烧室左壁面所需时间(设为t1)和到达下壁面的时间(设为t2)与稳定平面爆震波所达到的波速三者之间的相互关系。从图5中可以看出，稳定平面爆震波所达到的波速与倾斜角度θ成正比，而t1与倾斜角度θ成反比。图6显示当θ时为45°时，爆震波到达下壁面所需时间t2比90°和60°工况下都要小，而60°时t2最大。这说明当预爆震管倾斜角度达到一定程度后，预爆震管内的爆震波在出口处受到的压缩程度会加速爆震波的下行速度。

图5 不同角度下平面爆震波形成的波速t1 散点

图6 不同角度下平面爆震波形成的波速t2 散点

约定平面爆震波形成时距离主计算域左端壁面的距离设为L。图7显示了case 1、case 2、case 3三种工况下L、θ以及平面爆震波形成所需时间t之间的关系。

图7 不同角度下平面爆震波形成的波速散点

从图7中可以看出，倾斜角度越大，稳定平面爆震波的形成位置就越靠前，同样稳定时所用时间就越短，由此可见下壁面反射的横波的强度越大，所达到稳定时刻的时间和距离就越短。

2.2 不同射流位置对起爆的影响

图8显示了当X设置为30 mm时，在出口附近的衍射现象与10 mm时相近。但是由于X距离的增大，17.5 μs时下行爆震波先到达下壁面，并在下壁面的作用下形成一道上行的反射激波。同时该反射激波在左行激波的共同作用下迅速燃尽燃烧室左侧的未燃气体，23 μs时左侧未燃新鲜混合物基本燃烧殆尽。同时右行激波在上行反射波的作用下继续向右运动，二者相互交叉处的高温高压区逐步扩大。相比较case 1工况下，由于射流管左侧的空间增大，波后的各种膨胀波、反射激波反射空间增大，在相互作用以后强度减弱，没有对右行爆震波向右传播起到促进作用，右行爆震波在距离射流管右侧壁面155 mm处原曲面爆震波波面被拉平，74.5 μs 时燃烧室平面爆震波趋于稳定传播。根据74.5 μs 和84.7 μs 时刻的两个压力云图计算爆震波速度约为2 400 m/s，略低于case 1的爆震波速。

图8 case 4工况下不同时刻的压力云图

图9显示了进一步增大X值到50 mm，此时左行爆震波到达左侧壁面之前，下行爆震波在17.5 μs时已经到达下壁面并产生一道上行横波，该时刻与case 4相同。30 μs时该横波达到上壁面，并再次由上壁面向下进行二次反射。左行爆震波因射流管右移，到达左侧壁面的时间有所延长。相比case 4而言，case 5中射流管布置右移，因此左侧的空间较case 4增大，右行爆震波波后的膨胀波、压缩波和反射激波的发展空间进一步扩大，导致壁面反射的激波和波后的膨胀波对右行爆震波速的促进作用减小。该工况下爆震波速度较case 4要小。在该工况下爆震波在84.3 μs 时被拉平成平面爆震波，并在燃烧室内维持稳定传播。此时被拉平的的平面爆震波距离射流管右侧壁面175 mm。根据84.3 μs 和91.3 μs 两个压力云图可计算出该工况下的爆震波速约2 300 m/s，低于case 1和case 4的爆震波速。

图9 case 5工况下不同时刻的压力云图

约定在燃烧室内所形成的平面爆震波距离射流管右侧壁面的值为L1。图10显示了在case 1、case 4和case 5三种工况下的所形成的平面爆震波速，在保证射流管出口尺寸以及初始点火能量一定的情况下，射流管布置偏离燃烧室左壁面的X值越大，L1值就越大，爆震波速度相比之下越小。可见爆震波的传播速度以及平面爆震波稳定传播的形成位置与射流管和燃烧室左侧壁面之间的空间大小有关，其大小直接影响爆震波速度以及平面爆震波稳定传播时的位置。空间越大，爆震波后的膨胀波和壁面反射的激波对右行爆震波的加强作用越弱。

图10 不同L1值条件下平面爆震波的波速散点

3 结果与讨论

1) 本文所述工况下，射流管内的爆震波在出口处发生衍射现象，在壁面拐角处由于膨胀波的侵蚀作用出现局部压力和温度间断，但是并未出现解耦现象，爆震中心并未受到扰动影响，呈正激波传播状态。随着爆震波的传播，原本受到侵蚀的爆震波面能快速恢复形成“光滑”的半球形爆震波面。

2) 本文所述工况下，射流管均能直接起爆填充在燃烧室内的C8H18/O2预混气体，并获得稳定传播的爆震波。在爆震波稳定传播过程中，横波起主要作用。下壁面反射的横波越强，诱导产生平面爆震波的时间越短。

3) 本文所述工况下，射流管布置倾斜越小，爆震波在射流管出口压缩拐角处受膨胀波侵蚀越严重，爆震波到达左侧壁面的时间越长，同时达到下壁面的时间越短。相应的平面爆震波的形成距离越短。

4) 本文所述工况下，射流管布置点距离左侧壁面的空间越大，平面爆震波形成时距离射流管左侧壁面越大，爆震波速度越小。

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(责任编辑 杨继森)

Two-Dimensional Numerical Simulation of Detonation Wave by Transverse Jet

LIU Dao-kun1, MA Hu1, ZHANG Yun-feng2, SUN Bo1, ZHUO Chang-fei1, DENG Li1

(1.School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094,China; 2.Harbin Dongan Automobile Power Co., Ltd., Harbin 150066, China)

Using fluent technique to simulate the process of detonation and detonation wave diffraction by transverse jet when the equivalence ratio of premixed is exactly stoichiometry in chamber. The character of flow field and detonation wave spread was studied after the premixed gas detonated under different angles and positions of jet tube.

rotating detonation engine; transverse wave ; detonation ; diffraction

2016-10-19；

2016-11-20 基金项目：国家自然科学基金项目(51376091)；江苏省自然科学基金项目(BK20150782)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(30915118836)

刘道坤(1989—)，男，硕士，主要从事旋转爆震发动机研究;E-mail:1206599518@qq.com。

马虎(1986—)，男，讲师，主要从事爆震推进理论及应用研究；E-mail:mahuokok@163.com。

10.11809/scbgxb2017.03.041

刘道坤，马虎，张云峰，等.横向射流起爆爆震波二维数值模拟[J].兵器装备工程学报，2017(3):183-187.

format:LIU Dao-kun, MA Hu, ZHANG Yun-feng,et al.Two-Dimensional Numerical Simulation of Detonation Wave by Transverse Jet[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(3):183-187.

V231.22

A

2096-2304(2017)03-0183-05