不同喷管形状对pde性能影响分析_王杰

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1、不同喷管形状对PDE性能影响分析*[摘要]本文涉及了带扩张、收敛、收敛扩张三种形状彭冠的脉冲爆震发动机(PDE)模型。成功推理得出一维时空守恒元与解元（CE/SE）法的计算式，并在脉冲爆震发动机模拟内部流场中采用，结合定量和定性方法分析模拟结果，研究表明喷管可以有效改善PDE的性能参数，但是喷管的形状对PDE的性能影响较大。上述研究结果将为PDE模型和性能的优化提供理论基础。[关键词]脉冲爆震发动机;CE/SE方法;数值模拟;喷管[中图分类号]V235[文献标志码]AAnalysisofDifferen

2、tNozzles.EffectonPDEPerformanceWANGJie,WENGChun-sheng(SchoolofPowerEngineering,NUST,Nanjing210094,China)Abstract:Inthispaper,threepulsedetonationenginewithdifferentnozzles-convergent,divergent,convergent-divergentnozzlearedesigned.AnewmethodofCE/SE(thesp

3、ace-timeconservationelementandsolutionelement)isdeducedtosimulatethePDE.sinteriorflow.Thequalitativeanalysisandthequantitativeanalysistotheresultofsimulationaredone.ItshowsthatthePDEwithanozzlecanimprovetheperformanceparameter-impulse,butdifferentnozzleh

4、asthedifferenteffectsonPDEperformance.So,allresultsofthesimulationhaveanimportanteffectonimprovingthemodelorperformanceofthePDE.Keywords:pulsedetonationengine;CE/SEmethod;numericalsimulation;nozzle1引言脉冲爆震发动机(pulsedetonationengine,PDE)中，尾喷管的性能为有效将爆震室中高压燃气

5、的热能转化为动能，从而提高发动机运行推力，有效改善PDE的性能。Cambier和Tegner[1]探讨了不同类型的扩张喷管对PDE工作效率的作用。Yungster[3]在单次和多次爆震循环开展数值模拟，探讨了扩张喷管对PDE性能的改善状况。本文探讨了喷管长度一致、燃料填充率一致、形状不同的PDE模型，同时采用CE/SE方法有效模拟了脉冲爆震发动机内部流场，结合定量和定向分析方法深入分析了模拟结果，并比较有喷管和无喷管两种PDE的性能，最终得出喷管类型同PDE性能的作用关系。2理论模型2.1PDE模型数值

6、模拟采用的PDE参考Cooper[4]等人研究采用的PDE，爆震管直径为7.6cm，长度为60.9cm。基于上述PDE模型，文中涉及了扩张喷管、收敛喷管和收敛扩张喷管共三种喷管，三种喷管长度都为30cm，进口截面积同爆震管一致。扩张、收敛、收敛扩张三种喷管中，出口截面积同进口截面积的比值分别为1/2、2、1/2，其中收敛扩张喷管中，喉部截面积同进口截面积的比值是5/8。2.2数学模型PDE内部流场较为复杂，因而模拟PDE模型时，需要进行简化处理，构建以数值计算为基础的数学模型。针对爆震管长与直径的比值为

7、8:1的PDE，其内部流场径向效应不显著，主要以轴向效应为主，而且前者对后者作用较小。因而，在模拟PDE内部流场时，常常将气体看做理想气体，气体之间不进行热量传递，同时忽略粘滞摩擦和热辐射等效应；同时爆震管看做热绝缘体；爆震管中，同一截面具备相同大小的参量，忽略切向和径向效应，从而得出带喷管的PDE的一维气体流动Euler方程：(1)式中：公式中，m取值为1,2,3,4时，分别代表连续、动量、能量和组分公式。其中Um表示需要解答的守恒量，Fm表示对流项，Sm表示源项，Hm表示截面积变化时的对流项。参数u

8、表示速度，Q表示气体密度、P表示压力，E表示总能量，其公式为E=e+zq0+u2/2，式中，e表示内能，q0表示化学反应产生的热能。假定化学反应为单一步骤的反应，那么可用Arrenius公式计算化学反应能量变化，其源项可表示为：ω=-Kρzexp(-E+/RT)(2)其中，R表示气体常数，E+表示活化能，K表示指前因子。3数值计算方法)))一维CE/SE方法3.1求解元与守恒元的确定CE/SE方法中，时间-空间计算域可以看做由多个求解原组成