脉冲爆轰发动机喷管出口外流场的数值模拟.doc

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1、脉冲爆轰发动机喷管出口外流场的数值模拟*董刚，Email:dgvehicle@yahoo.com,Fax:025-84315652,Tel:025-84303236董刚，于陆军，范宝春（南京理工大学瞬态物理重点实验室，江苏南京，210094）摘要：采用带化学反应的多组分Euler方程，对脉冲爆轰发动机（PDE）喷管形状的外流场结构进行了数值模拟。采用高速阴影光学显示技术拍摄了PDE外流场的照片，对数值计算方法进行了验证。在此基础上，考察了不同喷管形状对爆轰波溢出后的外流场的动力学演变规律的影响，分析讨论了涡环与激波的相互作

2、用过程。关键词：脉冲爆轰发动机，外流场，悬吊激波，涡环，数值模拟引言脉冲爆轰发动机(pulsedetonationengine，PDE)是通过爆轰释放能量并产生推力的一种动力装置。由于爆轰是近似等容的燃烧过程，因而具有很高的热效率。此外，没有压缩机和涡轮的PDE还具有结构简单，造价低，重量轻等优点，故可望成为新一代航空飞行器的动力装置。人们对PDE已经进行了大量的实验和理论研究，包括点火方式、爆燃转爆轰(deflagrationtodetonationtransition,DDT)过程以及管内外流场等[1-4]。爆轰波溢出

3、管口后，管口的膨胀波向管内传播，最终会导致推力的下降，此外，管外复杂流场中的涡与激波的作用，还会导致推力的振荡。因此，研究爆轰管内外流场的动力学结构、变化过程以及对推力的影响对于PDE的研究是有意义的。Daniel等人通过实验和数值模拟，研究了爆轰管出口外流场的发展规律，阐述了管外流场在初始发展阶段的动力学结构，但没有讨论特有的悬吊激波。Zhang等人[6]则通过数值模拟的方法，对单管和多管爆轰管的出口复杂流场进行了讨论，预测了悬吊激波的存在。但关于爆轰波管外流场的动力学结构和流场中悬吊激波的产生和发展的研究，以及喷管出口

4、形状对外流场的影响等，则迄今尚未见细致的文献报道。本文通过数值模拟的方法，在PDE爆轰管内形成爆轰波以及爆轰波传播并泄出管外的过程，研究了PDE不同喷管形状对泄出工质形成了外流场的影响，讨论了外流场特有的激波、涡环以及它们相互作用的过程。1计算方法采用二维轴对称的、带化学反应的NavierStokes方程求解(1)其中U为待求解向量，F和G分别为x和y方向的对流项向量，W为轴对称修正向量，S为化学反应源项向量。计算时采用分裂算法，即，将控制方程中的流动过程和化学反应过程解耦，在一个计算时间步长内，可以看成是由冻结化学反应的

5、流体动力学计算和没有流动作用的化学反应计算组成。先通过流体动力学步的计算，得到新的流场参数，利用该参数，再进行化学反应步的计算，从而得到一个完整的化学反应流动的新参数。流体动力学步的计算采用波传播算法[7]，化学反应步则采用隐式Gear算法。计算区域采用二维轴对称形式（如图1），在爆轰管封闭端（左端）点火引爆，形成的稳定爆轰波在管内向右传播，经过有一定扩张角度的喷管后溢出。管壁采用了无滑移的绝热刚性固壁边界条件，外流场为自由边界，随着计算的进行，外流场不断向外扩展，因此该自由边界可以不断扩大，新的网格不断加入。计算初始时计

6、算域总网格数为55,000，到计算终了时，总网格数量为380,500。网格尺寸为。图1数值模拟的计算域计算中采用无量纲量，特征压力为p0=1.01325×105Pa，特征温度为T0=298.15K，特征长度为l0=0.05m。初始时刻，爆轰管内充满等当量比H2/空气预混气，其无量纲温度和无量纲压力均为1.0。为了适时形成爆轰，左端点火区的初始温度和压力分别定为7.0和5.0。爆轰管外为空气，其初始无量纲温度和无量纲压力也均为1.0。计算使用了H2/O2/N2详细化学反应机理，包含了14个基元反应和9种组分[8]。2计算结果

7、与讨论2.1实验验证采用高速摄影系统拍摄了爆轰波泄出爆轰管后的外流场实验阴影照片，根据实验条件采用上述计算方法数值模拟了外流场的变化。图2为实验和计算的对比结果。图2外流场的实验阴影照片（上）和计算阴影图（下）的对比结果实验和计算结果均表明，爆轰波溢出管口后，由于周围环境为空气，缺少维持化学反应的条件，因此爆轰波开始衰减并形成球面形的引导激波，引导激波波后为燃烧阵面，即，化学反应已经和激波解耦。其中燃烧阵面内形成一个垂直的悬吊激波，悬吊激波的发展将在下节作详细讨论。实验和数值计算结果都能很好地反映引导激波、燃烧阵面以及悬吊

8、激波的发展变化过程，表明本文采用的数值模型和计算方法是可靠的。2.2喷管出口形状对外流场的影响图3爆轰管喷管形状15°为讨论PDE喷管形状对外流场的影响，本文选取了两种不同角度的扩张式喷管形状，如图3所示。图4给出了爆轰波从扩张角度为15°的喷管溢出时，管外流场的变化规律。每张子图的上半部分代表压力变化