旋转爆轰的三维数值模拟
旋转爆轰发动机工作过程的数值模拟
2014年12月第35卷第12期推进技术JOURNAL OF PROPULSION TECHNOLOGYDec.2014V ol.35No.12旋转爆轰发动机工作过程的数值模拟*卓长飞，武晓松，封锋，马虎（南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094）摘要：为了深入研究旋转爆轰发动机工作过程，采用高精度高分辨率迎风通量分裂格式（AUS⁃MPW+）、氢氧7组分8反应化学动力学模型，求解三维带化学反应的Euler方程。
对旋转爆轰发动机工作过程进行了数值模拟，分析了采用预爆轰管点火过程的流场特征以及整个发动机推力、推力偏心距、侧向力随时间的变化规律。
计算结果表明：切向预爆轰管紧贴喷注入口时，点火过程仅产生一道单向爆轰波，能成功点燃旋转爆轰发动机；在本文给定的计算条件下，旋转爆轰发动机平均推力约180N，旋转爆轰波传播频率约为14285Hz；旋转发动机正常工作过程中，推力偏心矩、侧向力随时间周期性变化。
关键词：计算流体力学；Euler方程；旋转爆轰；点火方式；高频振动中图分类号：V235.22文献标识码：A文章编号：1001-4055（2014）12-1707-08DOI：10.13675/ki.tjjs.2014.12.017Numerical Simulation of Operation Process ofRotating Detonation EnginesZHUO Chang-fei，WU Xiao-song，FENG Feng，MA Hu（School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing210094，China）Abstract：In order to study the operation process of rotating detonation engines，three dimensional Euler equations with chemical reactions are solved by coupling with high-resolution upwind flux split scheme（AUS⁃MPW+），7species and8reaction kinetics model.The operation process of rotating detonation engines are simu⁃lated，the flow characteristics of the ignition process using pre-detonation ignition method，the thrust，the ec⁃centric moment of thrust，and the lateral force varying with time are analyzed.Calculation results show that when pre-detonation is close to the injection inlet，ignition can produce detonation wave in a direction，and then al⁃lows rotating detonation engine to work properly.In the given calculation condition，the average thrust of the ro⁃tating detonation engine is about180N，and the propagation frequency of rotating detonation wave is about 14285Hz.In the operation process of rotating detonation engines，eccentric moment of thrust and lateral force pe⁃riodically vary with time.Key words：Computational fluid dynamics；Euler equations；Rotating detonation；Method of ignition；High-frequency vibration*收稿日期：2013-10-28；修订日期：2013-12-11。
连续旋转爆轰三维流场的数值模拟
第 ３ 第 ５期 ３卷
２ ０ １２年 ５月
兵
工
学
报
Ｖ０ ． ３ Ｉ ３ Ｎｏ ５ ．
Ｍａ ｖ ２ ２ ０１
ＡＣＴＡ ＡＲＭＡＭ ＥＮＴＡＲＩ Ｉ
连续旋转爆轰三维流场数值模拟
潘振 华 ，范 宝春 ，张旭 东 ，归 明 月
（ 南京 理 工 大 学 瞬态 物 理 国家 重 点 实 验 室 ， 苏 南 京 ２０ ９ ） 江 １０ ４
Ａｂ ｔａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ｔｈ ｏａｉ ｇ ｄ ｔｎ ｔｏ ｎ ａ ｃｒ ｕ ａ ｏ ｕ ｔ ｎ ｃ ａ ｅ ｓｎ ｍｅ ｉａｌ ｉ ｌｔ ｄ ｂ ｓｎ ｅ ｒ ｔｔｎ ｅ ｏ ａ ｉｎ ｉ ｉｃ ｌ ｒｃ ｍｂ ｓｉ ｈ ｍｂ ｒｗａ ｕ ｒｃ ｌｙ ｓｍｕ ａｅ ｙ ｕ ｉ ｇ ａ ｏ
旋转运动对聚能射流形成的影响数值模拟
旋转运动对聚能射流形成的影响数值模拟李如江;卢志燕;方志坚;孙素杰【摘要】利用LS-DYNA3D有限元软件,通过数值模拟研究了旋转速度以及偏心起爆与旋转运动的耦合对聚能射流形成的影响.数值模拟结果显示,对于口径为36mm 的聚能装药,当旋转速度为4000r/min时,影响不显著,当转速为16000r/min时射流头部速度降低了4.2％.随着装药旋转速度的增加,头部速度下呈非线性降低,射流和杵体直径变细,射流长度变短.旋转和偏心起爆的耦合对射流的形成造成严重影响,当旋转速度16000r/min,偏心起爆距离为1mm时,射流头部速度会进一步降低,直径变粗,随着射流的延伸,射流中后部逐渐分成两股射流.模拟结果与已有试验现象相符.【期刊名称】《弹箭与制导学报》【年(卷),期】2013(033)005【总页数】4页(P99-101,108)【关键词】爆炸力学;聚能射流;旋转速度;偏心起爆;数值模拟【作者】李如江;卢志燕;方志坚;孙素杰【作者单位】中北大学化工与环境学院,太原030051;中北大学化工与环境学院,太原030051;中国兵器工业第52研究所,山东烟台264003;中国兵器工业第52研究所,山东烟台264003【正文语种】中文【中图分类】O3850 引言旋转稳定式破甲弹为了达到飞行稳定和提高打击精度，必须使其在弹道上始终保持高速旋转，例如美152mmXM409E5式多用途破甲弹，法国的105mm坦克炮用G型破甲弹等采用了线膛炮发射，其转速达到了6800～12000r/min。
此外，对于尾翼稳定的破甲弹，为了减少火箭推力偏心和气动力偏心的影响，保证射击精度，飞行中也要求低速旋转。
在破甲弹旋转过程中，药型罩和装药也同时获得一定的转速，当药型罩闭合时，根据动量守恒定律，射流将获得更高的转速。
在离心力的作用下，射流可能发生径向离散，使射流分散、紊乱，严重影响了其侵彻性能。
因此国内外针对旋转对破甲性能的影响进行了大量的试验研究。
温度梯度影响爆燃转爆轰的数值模拟
摘
要 ： 用一 维带 真实化学反应的 Ｎ ｖ ｒ ｔ ｅ 方程对温度梯度影响爆燃转爆轰 的过程进 行了 采 ａｉ —Ｓ ｋｓ ｅ ｏ
数值模拟。结果表明 ， 点火温度 的不均 匀性 对可 燃预混气 的燃烧模 式有显著影 响。在零温度梯 度 条件下 ， 点火初期呈可 燃气 等容 爆炸现象 ， 随后 发展为火焰 传播 ； 在小温度梯 度下 ， 点火后会 导致 爆轰形成 ， 但很快衰 减为爆燃 过程 ； 当温度梯度增加到合适值 时 ， 点火燃烧 后可形成 过驱爆轰 并最 终称为稳定爆轰状态 ； 温度梯 度过大 时 ， 呈现正 常火焰传 播状 态。不 同温度梯 度可 以导致 燃 而 仅 烧化学反应放热与热传导之间 的竞争 ， 因而 形成了不同的燃烧模 式。上述 研究对 实际过程 中爆 轰
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第３ 卷 第６ 期 ２０ 年 ｌ ０７ ２月
中 国 安 全 生 产 科 学 技 术
Ｊｕｎ ｆＳ ｆｔ ｃ ｎ ｅａ ｄ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｏ ｒ ａ ｏ ａｅｙＳ ｉ ｃ ｎ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｌ ｅ
Ｖ０ ． Ｎｏ． １３ ６
ｐ ｐ ｇ ｔ ｎ ｏ ａ ｏ ｒ ａ ａｉ ｆｆ ｍｅ．Ｆ ｒｔ ｅｃ ｓ ｆｓ ｌ ｔｍｐ ｒｔｒ ｒｄｅ ｔ ｈ ｎ ｔ ｅｏ ａｉｎ Ｃ ｒ ｄ ｔｅ ｅ ａ ｏ ｔｅ ｄ — ｏ ｌ ｏ ｈ ａｅ ｏ ｍａｌ ｅ ｅ ａｕ ｅｇ ａ ｉｎ ，ｔ ｅｉ ｉ ａ ｄ ｔｎ ｔｏ ａ ｆｍ ａ ｈ ｎ ｄ ｃ ｙｔ ｈ ｅ ｉ ｌ ｎ ｏ ｎ
ｌ ｒｔ ．Ｗｈ ｎ ｔｅ ａ ｐ ｐ ｉｔ ｍｐ ｒｔ ｒ ｒｄ ｅ ｔ ｘ ｓ ，ｔ ｅ ｏ ｅ － ｅｏ ａｉｎ ｆ ｌ ｗ ｙ ｔｅ ｓ ｂ ｅ ｄ ｔｎ ｔ ｎ Ｃ ｅ ｆ ｇａｉｎ ａ ｏ ｅ ｈ ｐ ｒ ｒ ｅ ｔ ｅａｕ ｅ ｇａ ｉｎ ｉ ｓ ｈ ｖ ｒｄ ｔｎ ｔ ｏｌ ｅ ｂ ｈ ｔ ｌ ｅ ａｉ ａ ｂ ｏ ａ ｅ ｅ ｔ ｏ ｏｄ ａ ｏ ｏ ｎ ｏ ｓｒ ｅ ．Ｗｈ ｌ ｆｒｔｅ ｌｒｅｔｍｐ ｒｔｒ ａ ｉｎ ．ｏ ｌ ｈ ａ ｅ ｐ ｐ ｇ ｔ ｎ Ｃ ｕ ｄ ｈ ａ ａｉ ｓ ｏ ｍｐ ｒｔ ｒ ｂ ｅｖ ｄ ｉ ０ ｈ ａｇ ｅ ｅ ｅａｕ ｅ ｇ ｄｅ ｔ ｎｙ ｔｅ ｆ ｍ ｒ ａ ａｉ ａ ｂ ｆ ｎ ．Ｔ ｅｖ ｒ ｔ ｎ ｆｔ ｅ ｕ ｅ ｒ ｌ ｏ ｏ ｎ ｅ ｏ ｉ ｏ ｅ ａ ｇａ ｉｎ ａ ａ ｏｔ ｅｃ ｍ ｅｉ ｏ ｔ ｅ ｎ ｔｅｃ ｅ ｃ ｅ ｔ ｅｅ ｓ ｄ ｔ ｅｈ ａ ｏ ｄ ｃｉｎ ｎ ｄ ｔｕ ｒ ｅ ｄｆ ｒｎ ｒｄ ｅ ｔＣ ｌ ｔ ｏ ｐ ｔ ｉｎ ｂ ｗ ｅ ｈ ｍ ａ ｈ ａ ｌａｅ ａ ｅ ｔ ｎ ｕ ｔ ，ａ ｓｆｍ ｔ ｉ ｅｅ ｔ ｎ ｅ ｄ ｈ ｔ ｅ ｈ ｉ ｌ ｒ ｎ ｈ ｃ ｏ ｈ ｏ ｈ ｆ
爆炸流场的数值模拟与分析研究
爆炸流场的数值模拟与分析研究一、引言爆炸是一种常见但危险的现象。
在很多领域中都能见到其踪影，例如炸药工业、火箭发射和爆炸安全等。
对于这些爆炸事件，我们需要进行数值模拟和分析，以便更好地了解爆炸现象的本质和爆炸流场的特性。
本文就爆炸流场的数值模拟与分析研究展开讨论。
二、爆炸如何发生爆炸通常发生在极短的时间内，具有高度非线性特征，爆炸产生的能量使爆炸物质瞬间加速并释放出大量的气体和其他物质。
这些物质在短时间内释放出来并随着周围的空气形成了爆炸流场。
爆炸流场的特性包括爆轰波、冲击波、反应波、扩散波等，这些波在空气中的传递引起了空气的快速压缩和膨胀，使空气的密度和温度变化迅速。
这些物理变化产生的压力和温度梯度产生的作用力使空气流动甚至出现漩涡和涡旋等复杂流动现象。
三、爆炸流场的数值模拟方法由于爆炸流场是一种具有高度非线性特性的复杂流动场，因此它的数值模拟方法具有一定的难度。
目前，最常用的数值模拟方法是基于计算流体动力学（CFD）的方法。
CFD方法通过对流体力学方程进行数值求解，计算出了空气的密度、速度和压力等物理量的分布情况。
通常采用的数值模拟软件有ANSYS Fluent、Star-CCM+等。
这些软件包括传输方程、方程边界条件、时间推进算法和网格生成等方面的内容，并提供了丰富的后处理功能。
四、数值模拟与分析实例为了更好地了解爆炸流场的数值模拟与分析技术，本文以一例实际应用为例进行介绍。
我国某先进武器试验中，使用了高爆药作为推进剂，炸药爆炸后会产生爆轰波和冲击波等流场特性。
通过数值模拟软件Star-CCM+对爆炸流场进行了数值模拟与分析。
首先需要确定计算模型和边界条件。
在此案例中，采用的是二维轴对称计算模型，边界条件包括药杆位置、U-tube的弹性壳、气流的速度和压力等。
然后，进行数值计算。
数值计算过程主要包括物理模型的选择和参数的设定，通过不断进行参数调整和计算，确定了药杆的爆炸区和气流的流动情况。
爆炸力学中的数值模拟技术
文章编号:1006-7051(2005)02-0010-04爆炸力学中的数值模拟技术时党勇1,刘永存2,徐建华1(11工程兵指挥学院,江苏徐州221004;21总装工程兵科研一所,江苏无锡214035)摘 要:总结和概括爆炸力学中数值模拟技术的特点和发展现状,分析和探讨爆炸力学数值模拟技术的重要地位和发展趋势,并对爆炸力学常用数值模拟软件做简单介绍。
关键词:爆炸力学;数值模拟;综合述评中图分类号:038;TP39119 文献标识码:ANUM ERICAL SIMULA TION TECHNOLO GY OF EXPLOSIV E M ECHAN ICSS HI Dang 2yong 1,L IU Yong 2cun 2,X U Jian 2hua1(11Com m and Instit ute of Engi neeri ng Corps of PL A ,X uz hou 221004,Jiangsu ,Chi na ;21The Fi rst Engi neeri ng Scientif ic Research Instit ute of General A rm amentsDepart ment ,W uxi 214035,Jiangsu ,Chi na )ABSTRACT :The features and development status of numerical simulation technology of explosion mechanics are summarized in this paper ,focusing on the discussion of its importance and development trend 1As a conclusion the paper gives a brief introduction to some common used numerical simulation software in explosive mechanics.KE Y WOR DS :Explosion mechanics ;Numerical simulation ;G eneral review收稿日期:2005-01-31作者简介:时党勇,硕士,主要从事地雷爆破装备器材教学和论证研究。
三维数值模拟在燃烧工程中的应用探究
三维数值模拟在燃烧工程中的应用探究燃烧工程是涉及到化学、物理、材料等多个学科的交叉领域，具有广泛的应用。
三维数值模拟是燃烧工程中的一项重要技术，在提高燃烧效率、降低污染排放、改进设计等方面发挥了重要作用。
本文旨在探究三维数值模拟在燃烧工程中的应用现状和发展趋势。
一、三维数值模拟的基本原理三维数值模拟是以计算机为工具，通过大量复杂的数学计算和算法实现对燃烧工程中复杂流动场、传热场、化学反应等现象进行模拟和预测的一种方法。
其中，Navier-Stokes方程是数值模拟的基本方程，它描述了流体的运动规律。
通过对该方程进行离散化处理，得到矩阵方程组，再通过迭代等方法求解，可以得到流场、温度、浓度等物理量的数值解。
二、三维数值模拟在燃烧工程中的应用1、燃烧过程优化三维数值模拟可以模拟燃料在燃烧室中的运动、热传递和氧气的消耗规律等，以评估燃烧过程的效率和可靠性，在燃烧室布局、燃烧器设计、燃料配比等方面提供有效的优化方案。
例如，在火电厂中，通过对锅炉内部三维流场的模拟，发现优化燃料喷入位置可以提高燃烧效率，减少污染物的排放。
2、减少污染物排放燃烧过程不可避免地产生大量的排放物，如二氧化碳、氮氧化物、硫化物等。
三维数值模拟可以模拟燃烧过程中污染物的生成和输运过程，以预测和减少污染物排放。
例如，在某些重工业场所的燃烧过程中，通过调整燃烧器内部的氧气含量和温度分布，可以使氮氧化物的排放量降低20%以上。
3、优化燃气轮机设计燃气轮机的性能和效率直接影响到电力产生的成本和可靠性。
利用三维数值模拟可以模拟燃气轮机内部流体的运动、传热和化学反应等，并对叶轮、内部通道、燃气喷口等元件进行优化设计。
例如，在研发大型燃气轮机时，通过三维模拟，可以模拟流场，减少内部部件的风阻，提高效率。
三、三维数值模拟在燃烧工程中的发展趋势1、多物理场耦合当前的燃烧工程存在着多物理场相互作用的问题，如燃料和空气的相互作用、化学反应的影响等。
未来的研究应该着眼于多物理场的耦合问题，以提高燃烧效率和降低污染物排放。
高能固体推进剂燃烧转爆轰的数值模拟
１ 引 言
ＮＰ Ｅ Ｅ推 进剂 （ Ｅ ／ Ｇ ＢＩＮ ＨＭ ／ Ｐ Ａ ） 当 Ｐ Ｇ Ｎ ／ ＇ ／ Ｘ Ａ ／ Ｉ是 Ｔ
流体力学和热力学 分析过程 ， 相流理论允许各相在 两
空问任何点 都存在独 立的流体 力学特性 和热力学特 因此每相存在独立的质量 、 动量 和能量守恒 方程 ， 今世界上已获得应用 的 、 比冲最高且集复合与双基推 性 ， 进剂优 点 于一 体 的推 进剂 ， 准 理论 比 冲达 ２６６ 丽相间靠质量 、 标 ４ 动量 和能量传递。据 此建立 了一维反
秦根成 ， 侯 晓， 泉， 陈林 何景轩
７０２ ） １０５ （ 中国航 天科 技集 团公司 四院四十一所 ， 西安
摘要 ： 用一 维两相反 应流模 型 ， 利 建立 了 Ｎ Ｐ Ｅ Ｅ高能推进 荆在 颗粒床 中燃 烧转爆 轰 的控 制 方程和辅 助方程 ， Ｍａ． 用 ｃ
Ｃｒａ ｏ ｃ ｍ ｋ差分格 式进 行数值求解 ， 并与实验值进行 了比较 。结果表明 ， 数值预 测与试 验结果 有较好 的一致性 ， Ｄ Ｔ的各 在 Ｄ
个阶段 ， 颗粒床都存在 不同程度 的动态压缩 ， 压缩渡和燃烧波的相 互作用是 Ｎ Ｐ Ｅ Ｅ推进 剂燃烧 向爆 轰转变的 内在原 因。 关键词 ： 高能 固体推进 荆 ； 燃烧转爆 轰； 数值模拟 中图分类 号 ：４ ５ １ Ｖ ３ ．２ 文献标识码 ： Ａ 文章编 号 ：０６２９ （０ ６ ０ －１６０ １０ － ３ ２０ ）３ ８ －４ ７ ０
ｒｓ ｌ ｈ ｗ ａ ｈ ｕ ｒ ａ ｒｄｃｉｎｗａ ｏ ｓｓｅ ｔ ｔ ｈ ｓ ｅ ｕｔ． ｅｅｅ ｉ ｓｄ ｎ ｍｉ ｃｍｐ ｃｉｎｗ ｔ ａＪｕ ｅｒｅ ｅ ｕｔ ｓｏ ｔ ｔｔｅ ｎ ｍｅ ｃ ｌ ｅ ｉｔ ｓｃ ｎ ｉｔｎ ｈｔｅｔ ｔ ｓ ｌ Ｔ ｒ ｘｓ ｙ ａ ｃ ｏ ａ ｔ ｉ ｖｘｏ ｓｄ ｇｅ ｓ ｓ ｈ ｉ ｐ ｏ ｗｉ ｅ ｒ ｓｈ ｔ ｏ ｈ ｉ ｈ ｒｎ ｌ — ｅ ｓ砒 ｅｃ ｔｇ ｆＤＤＴ．ａ ｄ ｔｅ ｉｔｒｃｉｎ ｏ ｏ ｒｓｉｅ ｗ ｖ ｎ ｏ ｕｔ ｎ ｗ ｖ ｏ ｄ ｂ ｅ ｉｈ ｒｎ ｎｔｅｇａ ｕａ ｂ ｄ ｒ ａ ｈ ｓａｅ ｏ ｎ ｈ ｎｅａ ｔ ｆｃ ｍｐ ｓｖ ａ ｅ ａ ｄ ｃ ｍｂ ｓｉ ａ ｅ ｗ ｕ ｅ ｔ ｎ ｅ ｔ ｏ ｅ ｏ ｌ ｈ ｅ
旋转爆轰发动机流场数值模拟研究及三维高精度并行程序设计
旋转爆轰发动机流场数值模拟研究及三维高精度并行程序设计摘要：本文针对现代飞行器的性能需求和环保要求，对旋转爆轰发动机的流场进行数值模拟研究。
首先对旋转爆轰发动机的结构和工作原理进行介绍，然后使用ANSYS Fluent软件建立了旋转爆轰发动机的三维数值模型，并对不同工况下的流场进行了模拟分析。
同时，设计了一种高精度的三维并行程序，以提高计算效率和准确性。
最后，对模拟结果进行分析，得出了旋转爆轰发动机在不同工况下的性能参数，并提出了进一步优化的建议。
关键词：旋转爆轰发动机，数值模拟，流场分析，三维并行程序，性能参数1. 引言旋转爆轰发动机是一种新型的发动机，具有高功率、高效率、低排放等优点，在航空航天、汽车及船舶等领域具有广泛的应用前景。
然而，由于其工作过程涉及到高温、高压、高速等极端条件，实验测试受限，因此需要进行数值模拟研究以获得更多的信息。
本文旨在对旋转爆轰发动机的流场进行数值模拟，并提出高精度的并行程序设计，为优化旋转爆轰发动机的性能和减少环境污染提供参考。
2. 旋转爆轰发动机结构及工作原理旋转爆轰发动机由压气机、燃烧室和涡轮机三部分组成。
其中，由多个旋转叶轮组成的压气机将外界空气压缩，送入燃烧室燃烧。
燃烧室内的混合气体在点火后燃烧，产生高温高压气体，推动涡轮机旋转，产生动力输出。
由于旋转叶轮的转速极高，压缩、燃烧、膨胀等过程快速完成，因此能够获得高功率和高效率。
3. 数值模拟方法和程序设计本文使用ANSYS Fluent软件建立了旋转爆轰发动机的三维数值模型，并对不同工况下的流场进行了模拟分析。
同时，设计了一种高精度的三维并行程序，以提高计算效率和准确性。
程序采用了基于MPI和OpenMP的并行计算技术，具有可拓展性和高效性。
在程序设计中，采用了多项式压缩技术和格点重构技术，提高了计算精度和网格质量，减少了计算误差。
程序在多节点并行计算环境下进行了测试，结果显示其可以有效地提高计算效率和准确性。
旋转爆轰发动机里的纵向脉冲爆轰波和旋转爆轰波
第五届爆震与新型推进编号：35学术会议论文旋转爆轰发动机里的纵向脉冲爆轰波和旋转爆轰波王宇辉1，*，王超2，乐嘉陵2，黄思源 21.西南科技大学燃烧空气动力学研究中心，四川绵阳621010；2. 中国空气动力研究与发展中心吸气式高超声速技术研究中心，四川绵阳621000 摘要：在旋转爆轰发动机里，非正规的纵向脉冲爆轰波比较常见。
本文对旋转爆轰波和纵向脉冲爆轰波开展进一步实验研究。
燃烧室爆轰环腔外径100 mm，宽10 mm，长117 mm。
空气通过60个直径2 mm 圆柱孔轴向、氢气通过2 mm宽环缝径向流入环腔。
结果表明，瞬态的纵向脉冲爆轰波可以转为稳定的旋转爆轰波，纵向脉冲爆轰波一个循环里存在爆轰熄火现象。
关键词：纵向脉冲爆轰波旋转爆轰波高速摄影氢气1.前言旋转爆轰发动机（Rotating Detonation Engine, CDE），又名连续爆轰发动机（Continuous Detonation Engine, RDE）或连续旋转爆轰发动机（Continuously Rotating Detonation Engine, CRDE）也是一种基于爆轰燃烧的发动机，由于流量连续，结构紧凑，理论热效率和比冲较高，近年来成为很多公司和科研机构的研究热点。
该发动机里，旋转爆轰波（Rotating Detonation Wave, RDW）数量可能超过一个。
Aerojet Rocketdyn公司[1-2]自从2010年起，进行了650次多种喷嘴、多种喷管、多种推进物（氢气，甲烷，乙烷，JP-8, JP-10）以及有无等离子体增强的RDE测试，当量比范围0.4-1.2，直径21 cm。
评估表明在相同的流动条件下，爆轰波行为依赖于发动机构造，使用等离子体增强系统可以增大爆轰波速度，减少对强化空气的需求。
RDE代替常规燃气轮机后，同样释热条件下燃油消耗减少14%，每年每台在服役涡轮发动机可减少500万美元燃油消耗。
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2010年2月第31卷 第1期推 进 技 术J OURNAL OF PRO PUL SI ON TECHNOLOGYFeb 12010V ol 131 No 11旋转爆轰的三维数值模拟*归明月,范宝春,张旭东,潘振华,姜孝海(南京理工大学瞬态物理实验室,江苏南京210094)摘 要:旋转爆轰利用爆轰波在燃烧室的供气端传播,而爆轰产物从另一端排出。
为了揭示其宏观特性,采用带化学反应的三维Euler 方程,在贴体坐标系中,利用带限制函数的波传播算法,对圆环形燃烧室内的旋转爆轰进行了数值研究,讨论了爆轰传播过程中的波系结构。
数值结果表明,即使仅在燃烧室内壁面的部分区域充入可燃气,爆轰波也能够以旋转方式在该区域稳定传播。
关键词:旋转爆轰;数值仿真;激波中图分类号:O 382;V 235122 文献标识码:A 文章编号:1001-4055(2010)01-0082-05* 收稿日期:2008-12-03;修订日期:2009-06-04。
基金项目:国家自然科学基金(10872096)。
作者简介:归明月(1977)),男,博士,研究领域为燃烧、爆轰等方面。
E -m ai:l gu i m i ngyue @yahoo .co Three -di m ensional si m ul ation of conti nuous spin det onationGU IM i n g -yue ,FAN Bao -chun ,Z HANG Xu -dong ,PAN Zhen -hua ,JI A NG X iao -hai(Lab .o f T ransient Phy si cs ,N anji ng U n i v .of Science and T echno logy ,N anji ng 210094,Ch i na)Abstrac t :The de tonation w ave propagates a t the c l o sed one end of t he annua l co m bustor and t he de t onati on product is e -jected a t the opened one end i n continuous spi n detonation .In order to study the m acro -charac ter ,based on the three -d i m en -s i ona l Euler equati ons coup li ng w ith che m ical reacti ons ,the phenom ena o f the conti nuous sp i n de t onati on i n an annular com -bustor were nu m er ica lly stud ied by using wave propaga ti on a l go rith m w ith li m ite r i n the body -fitted coord i nate system .The w ave structure i n t he fl ow fi e l d w as discussed acco rding to the calculated resu lts .Even the combustor are pa rtia lly filled w it h the combusti b l e gas ,t he rotating detona ti on w ave can propaga te stead il y in the layer o f prem ixed gas .K ey word s : C onti nuous sp i n detonation ;N u m er ica l si m ulati on ;Shock w av e1 引 言与普通燃烧不同,爆轰是一种由激波诱导的,在高温高压下进行的燃烧,具有数千米/秒的传播速度,故具有更高的燃烧效率、更少的污染和更宽广的飞行马赫数的适用范围。
由于现代飞行,特别是近空间飞行的需要,以爆轰为能量释放方式的爆轰发动机引起了人们的关注。
由于爆轰具有/稍纵即逝0的特点,故爆轰发动机的首要问题是如何使爆轰波长期停留在燃烧室中。
目前,有三种方式可以达到这一目的。
第一种是让爆轰以脉冲的方式和极高的频率,在燃烧室中重复出现,即在燃烧室内实现周期性的充气、点火、爆轰、排气和再充气再点火的循环过程,称此为脉冲爆轰发动机(Pu lse Detonati o n Eng i n e ,简称PDE )[1]。
第二种是让爆轰驻定在燃烧室内,即使爆轰相对于燃烧室处于静止状态,称此为驻定爆轰发动机(Ob li q ue Detona -tion W ave Eng ine ,简称OD W E )。
第三种是利用爆轰波在燃烧室的供气端连续旋转,而爆轰产物从另一开口端被高速甩出进而产生推力,称此为旋转爆轰发动机(Conti n uous Sp i n Detonation Eng i n e ,简称CSDE )。
其工作原理是仅在燃烧室的供气端充入可燃气,而其它部分则是空气,当爆轰波在燃烧室内的供气端旋转时,爆轰产物在离心力和膨胀的作用下,离开爆轰波阵面,同时,新鲜的未燃气体及时充入,以维持爆轰波的持续旋转(见图1)。
旋转爆轰发动机非常像无数多个小PDE 以极高的频率(数k H z)运行,其燃烧室内的平均压力要高于单管PDE 。
早在1959年,V oitsekhovsk ii [2]就提出,爆轰波可以围绕圆筒持续旋转。
此后,M i k hailov [3]分析了此类第31卷 第1期旋转爆轰的三维数值模拟F i g .1 S i m p lif i ed d i agra m of a CSDEco m busti on cha mber爆轰应该具有的波结构,但最终他们都未能实现这样的爆轰。
直至20世纪80年代,Bykovsk ii[4,5]等利用气态、液态推进剂为燃料,终于在实验室实现了爆轰波的持续旋转,并对该现象进行了初步的研究。
随后,该课题组[6]通过改变燃烧室的形状和尺寸、燃料种类,对影响旋转爆轰的物理、化学和形状参数进行了较深入的探讨。
近年来,随着爆轰发动机研究的深入,基于此类爆轰的旋转爆轰发动机的研究引起人们的关注,俄国[2~7]、法国[8~10]、波兰和日本都相继开展了这方面的研究,并取得一定程度的成功。
国内在这方面的研究较少,作者[11]对该现象进行了初步的数值研究,分析了旋转爆轰流场的动力学特征,验证了旋转爆轰的可行性。
关于旋转爆轰发动机的研究大多集中在实验方面[2~6,8,9],但它们对流场中爆轰波的结构探讨较少,而关于该波系结构的数值计算方面的研究不多[7,10],且使用的都是二维模型。
由于爆轰的本质是三维的,本文基于带化学反应的三维Euler 方程,以氢气/空气预混气为研究对象,对该现象进行了初步的数值研究。
根据计算结果分析了旋转爆轰的波系结构。
2 物理模型和计算方法2.1 基本方程曲线坐标系下,三维可压缩化学反应流的Eu ler 方程5Q 5t +5F 5N +5G 5G +5H5F=S (1)式中Q 表示守恒变量,F ,G 和H 分别表示N ,G 和F 方向的对流通量,S 表示化学反应源项,这些矢量可以表示为Q =Q 1s Q KQ u Q v Q wE,F =Q 1U s Q K U Q uU +p N x Q vU +p N y Q w U +p N z U p +E ,G =Q 1V sQ K V Q uV +p G x Q vV +p G y Q w V +p G z V p +E ,H =Q 1W s Q K WQ uW +p F x Q vW +p F y Q wW +p F z W p +E,S =ÛX 1s ÛX K 0000(2)式中u,v 和w 分别表示笛卡儿坐标系(x,y 和z)下的速度分量,N x i +N y j +N z k,G x i +G y j +G z k 和F x i +F y j +F z k 分别表示曲线坐标N,G 和F 方向的单位矢量,U,V 和W 分别表示曲线坐标系(N ,G 和F )下的速度分量,即U =u N x +v N y +w N z ,V =u G x +v G y +w G z ,W =u F x +v F y +w F z(3)混合物的密度:Q =EKk=1Q k,其中Q k =QY k ,Y k 是组分k 的质量分数,u,v 和w 分别是x,y 和z 方向的分速度。
p 为体系的压力,p =E Kk=1Q kM kRT ,E 为体系单位体积的总内能,E =Q QT0c v d T +12Q (u 2+v 2)+EKk=1Q k h 0k(0),c v =E Kk=1Xk c vk,c vk 为组分k 的等容比热,M k ,X k ,h 0k (0)分别为组分k 的摩尔质量、摩尔分数、标准生成焓。
T 为体系的温度。
ÛX k 为组分k 的净生成速率ÛX k =EIi=1C d ki -C c kik f i F Kk=1X kC ck i-k bi F Kk=1X kC dki(4)式中C c ki ,C d ki 分别表示第i 个基元反应中组分k 的正、逆反应计量系数;[X k ]为组分k 的摩尔浓度;k fi ,k bi 分别表示第i 个基元反应的正、逆反应速率常数,它们遵循Arr hen i u s 定律k f i =A f i T Bfi exp -E f iRT(5)式中A f i 表示第i 个正反应的指前因子;B fi 表示第i 个83推 进 技 术2010年正反应的温度指数;E fi 表示第i 个正反应的活化能。
2.2 计算方法本文采用分裂格式,将控制方程中的对流项和化学反应项分开处理。
守恒变量Q 的求解可表示为Q n+1=L S L H L G L F Q n(6)式中L 为操作算符,下标F,G,H 和S 代表的意义与文中前面一致。
由于计算流场中存在激波这样的强间断,因而流场的计算要能反映间断(波)的传播特性,本文的对流项采用二阶精度的波传播算法[12]。
而在化学反应过程中不同反应物质的特征时间相差很大,因此会带来/反应刚性0的计算问题,故在该过程中采用基于隐式Gear 格式的LSODE 程序计算。
时间导数项采用二步Runge -Kutta 法[13]Q (1)ijk =Q n ijk +$t #(L S L H L G L F U n )Q n+1ijk =12[Q n ijk +Q (1)ijk +$t #(L S L H L G L F U (1))](7)计算时,对流项采用无量纲量(无量纲的参考值为:压力p 0=01101325M Pa ,温度T 0=298.15K,长度L 0=1m ),而化学反应项采用有量纲计算。