变工况下连续旋转爆轰发动机模态转换研究.pdf

第 卷 第 期 年 月气 体 物 理 .:./.变工况下连续旋转爆轰发动机模态转换研究姚松柏 唐新猛 张文武(.中国科学院宁波材料技术与工程研究所浙江省航空发动机极端制造技术研究重点实验室 浙江宁波.上海清华国际创新中心 上海 .中国科学院大学 北京)(.)摘 要:采用数值模拟方法分析了来流工况变化对连续旋转爆轰发动机()工作模态的影响 研究发现 随着进气总压的下降 流量将迅速减小 旋转爆轰波可以首先通过调整波头高度和传播速度来匹配新的工况 维持稳定传播 如果进气总压下降幅度较大 旋转爆轰波只能通过调整流场中波面的数目才能匹配新的工况 此时 将发生自适应性的工作模态转换 研究中验证了稳定阶段旋转爆轰波特征参数(波面数目、传播速度以及波头高度)与燃烧室几何尺寸、工况(流量)之间需要满足的近似匹配关系式 用于解释 的工作模态转换过程及变化规律关键词:爆轰推进 连续旋转爆轰 工作模态 多波面现象 数值模拟 中图分类号:.文献标志码:收稿日期:修回日期:基金项目:宁波市自然科学基金()宁波市甬江引才工程青年创新人才项目()第一作者简介:姚松柏()男 博士 副研究员 主要研究方向为爆轰推进技术:.引用格式:姚松柏 唐新猛 张文武.变工况下连续旋转爆轰发动机模态转换研究.气体物理 ():.:.():.:().().()().:引 言基于增压燃烧()的爆轰推进技术是空天装备和能源动力领域的研究热点 爆轰波是激波与化学反应耦合的超声速燃烧波 与传统发动机的热力学循环相比 爆轰燃烧具有更高的热效率 此外 爆轰燃烧的前导激波可以带来十几倍的增压效果 因此基于爆轰燃烧的发动机可以省去复杂的压气机部件或减少压气机级数 简化发动机结构 提高推重比 近年来 研究人员针对连续旋转爆轰发动机()技术开展了深入和广泛的研究 可以作为火箭式动力 也可以与涡第 期姚松柏 等:变工况下连续旋转爆轰发动机模态转换研究轮机械相结合形成 涡轮发动机 基于 的吸气式发动机也在不同 数下得到验证 此外 聂百胜等提出了利用脉冲和连续旋转爆轰燃烧实现高效煤粉发电技术的设想 祝文超等和 等开展了基于煤粉燃料的 数值模拟和实验研究实验研究表明 随着工况的变化 会出现工作模态转换现象 例如从双波模态切换到单波模态 或者相反 等在实验研究中捕捉到了 两波单波工作模态的转换过程 同时研究还发现在双波模态下爆轰波的传播方向可能出现变化 如图 所示 研究表明 影响 工作模态及转换过程的因素较多 包括进气流量、掺混程度、当量比等 且形成机理复杂 例如 等分析了加装涡轮导向叶片后在起爆阶段 流场中的工作模态 等针对空心圆筒 燃烧室的实验研究表明 流量变化可能导致 出现工作模态转换 等和吴明亮等分别通过实验和数值模拟研究了煤油燃料 的工作模态图 工作模态转换现象(高频压力传感器信号).()工作模态的形成和转换过程涉及复杂的物理现象 相关机理仍有待进一步分析和探讨 初步研究表明 大幅度调节进气总压可能导致 出现自适应性的工作模态转换 针对这一现象 本文深入分析变工况下 流场中旋转爆轰波的工作模态变化规律 验证旋转爆轰波特征参数(波面数目、传播速度、波头高度)与燃烧室尺寸以及工况之间的匹配关系式 物理模型与计算条件数值模拟中求解带有化学反应源项的 方程 并忽略黏性、热扩散和热传导的影响()()()()()()()其中 为压力 为密度 为速度矢量 为内能 计算中采用氢空气燃料 化学反应为一步总包模型 化学反应速率根据 公式计算其中 为指前系数 为活化温度 为无量纲反应进行度参数 刘云峰等指出 如果将一步总包化学反应模型中的气体常数和比热比设置为常数 模型不能准确地给出()温度和压力 因此 本文采用 等提出的改进模型 计算过程中气体常数 和比热比 随着反应进程发生变化 模型参数总结如表 其中 下标 分别代表反应物和产物表 氢空气一步总包化学反应模型参数 /(/)/()/()/(/).计算中采用如图 所示的同轴圆环腔 燃烧室 内外半径分别为.和.轴向长度.的壁面采用固壁边界条件 进气方式采用 喷管设计 具体地 根据进气总压 和进气壁面上的当地压力 每个网格点上新鲜可燃气体的入流参数(压力、温度和速度)根据下式决定:)当 时 可燃气体不能喷入燃烧室 )当 时 整个 喷管中的流动均为亚声速 其中 为喷管出口 数气 体 物 理 年 第 卷)当 时 喷管壅塞 扩张段出现激波 管口为亚声速出流 式中 计算式为()当 是方程()的一个实根()个临界压力值分别为()计算中 喷管的出口面积与喉道面积之比设置为/入流总温 设置为 入流总压 将在下文详细介绍 燃烧室出口边界条件使用文献中提出的外插方法 出口环境压力和温度分别设置为.和 图 燃烧室结构与计算域示意图.控制方程的对流项采用 阶 有限差分格式 时间方向采用 阶 方法 本文所采用的数值模拟方法已在文献中得到广泛验证 通过对比.这 种不同分辨率下的 流场(如图 所示)前期研究发现较高网格分辨率(.)下爆轰波的波头结构更为细致 但其主要结构与较低网格分辨率(.)下获得的结果没有明显区别 因此综合考虑计算效率与精度 计算中统一采用.的网格分辨率().().().图 不同网格分辨率下 流场压力分布.第 期姚松柏 等:变工况下连续旋转爆轰发动机模态转换研究 结果分析.工作模式转换过程实验研究表明 在不同工况和燃烧室尺度下 流场中可以同时存在 个旋转爆轰波图()是 通过高速摄影观察到的 波面 流场 关于多波面现象的形成及稳定过程可以参考文献中的详细讨论 为了便于分析研究中以图()所示流场作为初始条件 此时 处于 波面的稳定工作模态()()图 多波面工作模态.计算中分析以下 种来流工况变化情况 如图 所示 其中算例 为文献中使用的基准算例 此处设置了算例 用于对比分析 参考单波模态下旋转爆轰波以理论 速度在 燃烧室(见图)中的传播周期 研究将过渡阶段的持续时间设置为 图 中算例 和算例 的进气总压的调节范围为.与实验研究中使用的工况范围相近 算例 的进气总压调节范围较大(.)其主要目的是与算例 进行对比 但是变化范围仍处于合理区间 例如在 等的实验研究中 进气总压为.以上)算例:时刻 进气总压 降为.进气总压 恢复到.)算例:时刻 进气总压 降为.进气总压升高到.)算例:时刻 进气总压 降为.后进气总压 恢复到.图 来流工况(进气总压)变化情况示意图.()结果表明 在算例 中 在进气总压下降后发生了模态转换 从 波面模态转为 波面模态 算例 同样发生了工作模态转换 而且在进气总压恢复并升高到.以后依然维持在 波面模态 算例 在进气总压下降之后并没有发生模态转换 流场中始终存在 个波面 但是爆轰波的强度和高度有所变化 下面具体分析对于算例 进气总压降为.后 波前新鲜可燃气体的体积迅速下降 爆轰波的高度和强度也逐渐减弱 如图 所示 对于图()中箭头所标示的爆轰波 进气总压下降后其先导激波的强度迅速减弱 无法点燃波前的新鲜气体维持稳定传播 导致爆轰波最终熄灭 从 到 流场中共有 个爆轰波熄灭 其余 个爆轰波的强度虽然随着进气总压的下降有所降低 但是随着波前新鲜气体的重新累积 这些爆轰波的强度逐渐恢复并维持稳定传播 最终处于 波面的工作模态 之后虽然进气总压恢复到.但是 的工作模态不再发生变化 如图()所示 算例 发生工作模态转换的过程与算例 相同 但是由于进气总压在恢复阶段上升到了.重新稳定后 流场中爆轰波的高度与算例 相比明显上升(见图()对算例 进气总压下降到.后 并气 体 物 理 年 第 卷没有出现工作模态转换 而是维持在了 波面的状态(见图()进气总压下降阶段 流场中爆轰波的强度明显下降 波头高度也随之降低 但是在总压恢复后重新恢复到原来的水平(见图()()()()图 算例 中进气总压下降阶段 流场温度云图和新鲜燃料分布(发生工作模态转换).()()()()()图 进气总压恢复后重新稳定的 流场温度云图和新鲜燃料分布(算例 和).()()()图 算例 中 流场温度云图和新鲜燃料分布(没有发生工作模态转换).()第 期姚松柏 等:变工况下连续旋转爆轰发动机模态转换研究以上分析了来流进气总压变化后 流场的重新稳定过程 可以看到 对于进气条件的变化具有自适应性:进气总压的突然下降不一定会导致 熄火 旋转爆轰波可以通过工作模态转换重新稳定下来图()是算例 中数值传感器记录到的爆轰波压力信号随时间变化曲线 在过渡阶段 随着进气总压下降 压力曲线的峰值出现明显的下降趋势 对应上一节的分析可知 这是爆轰波的强度减弱导致的 但是随着 从 波面切换到 波面压力峰值逐渐上升 表明 进入调整阶段 并最终稳定在 波面模态 同时 图()的压力曲线表明 发生工作模态转换的过程十分迅速进气总压恢复前()已经由 波面模态转换到 波面模态 即不到 内就完成了工作模态转换 因此图()中的压力曲线并没有发生明显的中断 这与 的实验结果相符()()图 流场压力时间曲线.对于算例 由于 没有出现工作模态转换 图()中爆轰波压力信号的频率基本保持不变 在 进气总压下降阶段 爆轰波的强度同样有所减弱 但是随着总压重新恢复到.爆轰波的强度逐渐上升并恢复到与总压下降前相近的水平图 记录了算例 和 的进气流量变化过程 对于算例 和 进气总压下降之后 流量迅速从原来的./降到./随着进气总压的恢复 算例 的进气流量恢复到原来的水平 算例 的进气流量则上升到./但是在这两种情况下 都没有再次发生模态转换 重新稳定后的流场维持在新的 波面模态 对于算例 在 进 气 总 压 下 降 阶 段 进 气 流 量 降 到./但是 并没有发生工作模态转换 仍处于原来的 波面模态 综合以上分析表明 单一的流量因素不能完全决定 的工作模态:)在相同的流量条件下 可能处于不同的工作模态)在不同的流量条件下 也可能处于相同的工作模态图 进气流量随时间变化趋势.需要注意的是 本文计算中所使用的是完全预混的氢空气燃料(当量比为)对于非预混条件下的 燃料和氧化剂须经过掺混才能形成可燃混合物 其非均匀性对于旋转爆轰波的工作模态以及多波面现象的形成也有重要影响 例如 等的研究指出 随着非均匀可燃混合物(甲烷氧气)当量比的升高 流场中旋转爆轰波的数目也呈上升趋势 因此 真实工况下 的工作模态存在更为复杂的变化规律 本文重点关注进气总压(流量)这一主要影响因素.匹配关系式通过前面的分析可以看出 进气条件的变化将导致爆轰波的数目、高度 和速度 发生改变气 体 物 理 年 第 卷基于燃烧室环腔厚度 远小于燃烧室半径(例如 本文 .)的假设文献给出了当进气条件发生变化时 旋转爆轰波的特征参数与燃烧室尺寸以及工况之间的近似匹配关系式/()()式中 为进气流量 为新鲜可燃气体的平均密度 由式()可知 当关系式右边工况条件或燃烧室的几何尺寸发生变化时 流场中的爆轰波必须通过调节关系式左边的特征参数进行匹配 才能保持稳定 以算例 和 为例 将 发生工作模态转换前后爆轰波的特征参数、燃烧室几何尺寸和进气流量代入式()进行验证 如图 所示 结果表明 流场稳定后/()误差来源主要是:)忽略了 燃烧室的厚度 即径向效应 爆轰波的强度和高度在内外壁面之间存在差异)爆轰波前可燃混合物的密度不均匀图 算例/工作模态转换前后旋转爆轰波的特征参数与燃烧室尺寸以及工况之间的近似匹配关系式图./下面通过式()分析 在来流工况变化时的工作模态转换机制 进气总压下降后 流量 将随之减小 此时燃烧室中可燃气体的密度 尚未发 生 明 显 变 化 因 此 式()右 边 的 项/()将突然减小 如果进气总压变化的幅度较小 流量 不会大幅下降 爆轰波可以通过调整关系式()左边的部分参数进行匹配 例如减少爆轰波速度 和波头高度 并重新达到稳定状态 但是 等和 的实验和理论分析表明 旋转爆轰波的波头高度 和传播速度 存在临界值 对爆轰波的稳定传播具有重要影响 因此如果进气总压下降的幅度过大 此时爆轰波只能通过调整波面的数目 才能重新满足式()的匹配关系式 导致 出现工作模态转换 此外 由式()可知 进气流量不能完全决定稳定流场中爆轰波的数目 例如 在算例 中 工作模态转换前后进气流量相同 但是流场中稳定爆轰波的数目从 个降为 个 这与实验中观察到的现象相符:等指出 两次实验中流量保持不变的情况下 可以观察到不同数目的爆轰波 另一方 面 在 算 例 中 当 流 量 为./和./时 都可以稳定工作在相同的 波模态 但是爆轰波的强度和波头高度存在差异 结论本文通过数值模拟分析了变工况条件下 的工作模态转换过程及变化规律 研究表明 在流场稳定之后 当进气总压从.下降到.将出现工作模态转换 从原先的 波面模态转换到 波面模态 之 后 虽 然 进 气 总 压 恢 复 到.或提升到.但是 依然保持在转换后的 波面模态 研究发现 能够迅速完成工作模态转换 没有出现熄火现象 体现出较强的自适应性 与之相比 如果进气总压的变化幅度较小(从.降到.)可以继续工作在 波面模态 但是旋转爆轰波的强度和波头高度有所下降 此外 研究证实了不同流量下 可以处于相同的工作模态 且稳定流场中旋转爆轰波的特征参数(数目、波头高度、传播速度)与燃烧室的几何尺寸、工况之间满足近似的匹配关系式致致谢谢本项目得到宁波市自然科学基金()、宁波市甬江引才工程青年创新人才项目()资助参考文献()谢峤峰 王兵 董琨.基于连续旋转爆震的推进技术研究进展.气体物理 ():.():().王健平 周蕊 武丹.连续旋转爆轰发动机的研究进展.实验流体力学 ():.第 期姚松柏 等:变工况下连续旋转爆轰发动机模态转换研究 .():().张少杰 蔡晓东 陈伟强 等.超声速气流中的爆震推进理论与研究进展.气体物理 ():.():().姜宗林.关于超声速燃烧与高超动力.力学进展():.():().():.:.:.:.:.王超 郑榆山 蔡建华 等.碳氢燃料旋转爆震直连试验研究.实验流体力学 ():.():().王超 刘卫东 刘世杰 等.高总温来流下的连续旋转爆震验证试验.推进技术 ():.():().聂百胜 宫婕 王晓彤 等.深部流态化开采中原位煤粉爆轰发电技术构想.矿业科学学报 ():.():().祝文超 王健平 王宇辉 等.空气流量对煤粉空气两相旋转爆轰波的影响.煤炭学报 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