非均匀当量比对旋转爆震燃烧室性能影响的三维数值模拟研究

摘要： 为研究入口当量比的不均匀分布对旋转爆震燃烧室性能的影响，建立了当量比在入口环缝的径向或周向的函数模型，将模型公式代入组分质量分数与当量比的关系式，得到组分质量分数在径向或周向的分布函数。通过Fluent 软件中的自定义函数工具，构造入口边界组分的分布函数，利用三维瞬态欧拉方程模拟了C10H22/air 旋转爆震燃烧室中爆震波的传播过程及流场特性，对比了不同当量比分布下爆震波及旋转爆震燃烧室性能参数的变化特征。结果表明：入口当量比的不均匀分布会影响爆震波的传播特性；当量比为0.4～1.6 且沿径向非均匀分布时，随着入口面中线位置当量比的增大，爆震波的高度减小；当量比为0.4～1.6 且沿周向非均匀分布时，随着变化周期数的增加，爆震波的高度几乎不受影响；当量比的不均匀分布会削弱旋转爆震燃烧室的增压效果和温升效果，沿径向不均匀分布的情况相较于沿周向不均匀分布的情况，影响更明显；旋转爆震燃烧室内，爆震波的诱导和反应区并非严格位于前导激波的正后方，而是位于前导激波的斜后方，且在曲率的影响下，在靠近燃烧室外壁面的区域，前导激波沿中径圆柱面的圆周线传播。

关键词： 旋转爆震燃烧室；非均匀当量比；自定义函数；增压效果；温升效果

中图分类号： O381 国标学科代码： 13035 文献标志码： A

旋转爆震发动机是一种以爆震作为推进动力方式的新型发动机，爆震过程近似于定容燃烧，具有热循环效率高的优点。旋转爆震发动机只需一次点火，即可自维持燃烧，省去了燃烧室前静子、转子结构，因此具有结构简单的优点，有望推动航空航天动力技术的发展[1-2]。其中，旋转爆震燃烧室（rotatingdetonation combustor， RDC）是发动机的重要部分。对RDC，学者们通过开展入口压力、当量比、燃烧室的构型等方面的数值分析和试验研究，取得了一系列的研究成果。

Anand 等[3] 分析了3 种空气流量和每种空气流量的3 种当量比下RDC 的运行情况，研究了旋转爆轰波对进气和燃料室的压力反馈。George 等[4] 研究了不同的RDC 初始压力和通道宽度对爆炸传播的影响，在一定的当量比范围内记录了2 种不同的燃料-氧化剂混合物生成的爆震波的传播规律。Burke 等[5]将部分燃料预混到氧化剂中，探索了在预混不同当量比的氢气和空气后，旋转爆轰波的传播情况。Nair 等[6]分析了在不同当量比、质量流量情况下甲烷-氧气反应物的RDC 中爆震产物的热力学特性。Salvadori 等[7]通过改变入口燃料和空气的质量流量，使得全计算域的当量比保持一致，进而对非预混的氢气/空气反应物沿径向喷射的RDC 进行了数值模拟。Mikhalchenko 等[8] 则对富油、贫油和化学计量3 种模式的RDC 内的流场和旋转爆震波的传播特性进行了三维数值模拟。Jiang 等[9] 通过求解三维非定常反应流动的Naiver-Stokes 方程，采用一步氢气/空气反应机理，研究了不同入口当量比的非预混条件下旋转爆震波的形成和传播过程。王顺利等[10] 研究了不同喷管构型和不同当量比时RDC 受到的影响。马元等[11] 采用离散相模型（discrete phase model， DPM），对不同当量比和质量通量下的两相旋转爆震波进行二维数值模拟研究，分析当量比和质量通量对非预混、非均匀喷注条件下两相旋转爆震波参数的影响。王迪等[12]深入分析了煤油燃料两相连续RDC 的工作特性，采用富氧空气或氧气为氧化剂，通过试验得到了爆震波的时域、频域特征，对两相连续RDC 中爆震波的起爆过程和稳定后的传播过程进行了研究。马虎等[13]定量研究了燃料分布对旋转爆震波传播特性的影响，针对2 种环缝/小孔喷注方案开展了数值和实验研究。焦中天等[14] 针对环缝-喷孔结构的RDC，研究了喷孔数量在非预混条件下对旋转爆震起爆过程的影响。

综上所述，不少学者研究了不同当量比对爆震波传播规律或RDC 性能的影响，但大多数都是基于RDC 入口当量比均匀分布的前提下进行的试验或数值研究。工程实践中，燃料和氧化剂分别通过入口的小孔喷注，在进入燃烧室时两者进行掺混，很多情况下会出现掺混不均匀的情况，即在入口截面不同位置反应物的当量比不同。本文中，将这种入口边界条件简化，利用自定义函数（user-defined function，UDF），使入口的当量比沿径向以不同的函数曲线分布，模拟这种不均匀分布，研究该不均匀分布对燃烧室性能的影响。同样地，各喷注小孔的反应物的当量比也存在差异，小孔是周向分布的，当量比沿周向分布的工况旨在模拟不同喷注小孔之间的当量比分布情况。利用Fluent 软件建立UDF 来实现当量比在入口处的不均匀分布，对RDC 的各项参数进行分析，获得当量比的不均匀性对RDC 性能及爆震波传播的影响。