超燃冲压发动机全流道反应流场仿真分析

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1、第39卷第6期火箭推进V01．39，No．62013年12月JOURNALOFROCKETPROPULSIONDec．2013超燃冲压发动机全流道反应流场仿真分析刘昊，李光熙，杜泉，高伟(西安航天动力研究所，陕西西安710100)摘要：采用计算流体力学方法开展了超燃冲压发动机流场二维及三维数值仿真，获得了发动机流场结构及流动细节。探讨了二维简化计算的适用性及不足。通过对发动机各部件受力的分析，得到了发动机初步性能，并就支板芨凹腔的减阻设计提供了一些参考。关键词：超燃冲压发动机；反应流场；数值仿真中图分类号：V434-34文献标识

2、码：A文章编号：1672—9374(2013)06—0001—05NumericalsimulationofreactionflowfieldinfullflowpathofscramjetLIUHao，LIGuang-xi，DUQuan，GAOWei(Xi’anAerospacePropulsionInstitute，Xi’an710100，China)Abslzact：The2Dand3Dnumeficalsimulationsofascramjetwereconductedrespectivelywithcomputati

3、onalfluiddynamics(CFD)method．Theflowfieldstructureandflowdetailofascramjetwereobtained．Theapplicabilityandshortageofthe2Dsimplifiedcalculationwerediscussed．Thepreliminaryperformanceoftheenginewasachievedbymeansofforceanalysisoneverypartoftheengine．Someadditionalrefer

4、encesaboutdragreductiondesignforthestrutandcavityareprovidedinthispaper．Keywords：scramjet；reactionflowfield；numericalsimulation0引言计算流体力学(CFD)由于具有快速性、经济性及可提供详细流场特性参数等优点，日渐成为超燃冲压发动机研制的有力手段。目前，CFD技术在高超声速进气道㈣、超声速燃烧室[3-51、尾喷管M等部、组件的工作机理、气动设计、性能预估、参数优化等方面获得了广泛应用，但对于超燃冲压发动机

5、全流道反应流场数值仿真的公开发表文献尚不多见，大多采用一维分析方法刚嵊预测发动机性能。本文以获取超燃冲压发动机内部流动、燃烧桴眭及发动机性能为关注点，开展了以支板供油收稿日期：2013—06—17；修回日期：2013—09—09基金项目：总装备部预研项目(2007AA705306)作者简介：刘吴(1984一)，男，博士，研究领域为组合推进燃烧技术2火箭推进2013年12月结合凹腔火焰稳定实现燃烧组织的超燃冲压发动机全流道二维及三维片式数值仿真，对计算结果进行了分析与探讨，并就支板及凹腔气动设计提供一些参考。1数值方法1．1计算模

6、型、来流及喷注条件超燃冲压发动机由三楔--5：进气道、两级扩张燃烧室及单斜面膨胀喷管组成，其中燃烧室采用支板供油结合凹腔火焰稳定方案实现燃烧组织，计算来流Ma=6．0，静压2188．1Pa，静温222．5K，进气道捕获流量5kg／s；燃料为总温900K气态煤油音速喷注，喷前总压1．6MPa，燃烧室当量比EQ=I．0。图1为超燃冲压发动机计算模型示意图。图1计算模型示意图Fig．1Sketchofcomputationalmodel1．2边界条件及网格划分计算域人口、出口及上、下边界设定为压力远场，给定来流马赫数、静压、静温及组分

7、质量分数；发动机表面设定为无滑移、绝热壁；三维计算左右边界设定为对称条件；二维计算不考虑支板，在一级凹腔上游沿高度方向均匀分布4个喷孔替代支板喷注器，三维计算燃料从支板两侧的喷孔喷注，二维及三维计算燃料喷注均设定为压力入口边界，给定总压、静压、总温及组分质量分数。计算采用结构网格，在壁面及流动参数变化较为剧烈处进行加密，二维计算网格单元数为72万；为控制计算网格，参考文献[11】做法，三维为l，4发动机宽度的片式计算，计算仅考虑一个支板，网格单元数为311万。计算网格划分结果见图2。1．3计算方法采用有限体积法隐式求解雷诺平均N

8、aver—Stokes方程及组分输运方程，无粘通量计算采用二阶AUSM格式，粘性通量计算采用二阶中心格式，湍流模型选取Realizable模型，化学反应采用有限速率方法，动力学模型选取煤油单步反应模型。fa)二维(b)三维图2计算网格Fig．2Distribut