1、Vol. 26 No. 8Aug. 2011第26卷第8期2011年8月航空動力學(xué)報Journal of Aerospace Power1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, Vol. 26 No. 8Aug. 20111994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, Vol. 26 No. 8Aug. 2011文章編號:1000-8055(2011 )0

2、8-174 卜06秦亞欣，于軍力.高歌（北京航空航天大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 航空發(fā)動機(jī)氣動熱力國家級重點實驗室.北京100191）1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, Vol. 26 No. 8Aug. 20111994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, Vol. 26 No. 8Aug. 2011摘 要：對簾不同數(shù)雖幾板的環(huán)形爆喪室進(jìn)行數(shù)值模擬并

3、通過試驗對數(shù)值計算進(jìn)行驗證來研究火焰 加速現(xiàn)彖、爆燃向爆喪轉(zhuǎn)變過程和不同、|雖比下起爆眾離.數(shù)(“計嫁采用二維軸對稱II：定常NavicLSwkcs方 程來模擬流體動力學(xué)過用.研究發(fā)現(xiàn)用校低的點火能址對火焰混合區(qū)的對燃?xì)恻c火產(chǎn)生低速火焰低速火焰 向環(huán)形爆霞室射流并改變方向向出口傳播，火焰在禮板的阻礙作用以及火焰誘尋激波和反射波的加速作用 下山層流變?yōu)橥牧鲗狭骰鹧嬲T導(dǎo)激波相互加強(qiáng)i最終引曝未燃混P還對爆震波在孔板區(qū)的傳播過程 進(jìn)行了分析對不同當(dāng)堀比下的火焰速度和起爆即離進(jìn)行了模擬研究.關(guān) 謹(jǐn)詞：爆爲(wèi)波：火焰加速：爆燃向爆震轉(zhuǎn)變；環(huán)形爆點空；數(shù)值模擬 中圖分類號：V231. 22文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ANu

4、merical simulation and experimental study on flame accelerationin annular detonation ductQIN Ya-xin, YU Jun-li, GAO Ge(National Key Laboratory of Science and Technology on Aero-Engine Aero-thermodynamics School of Jet Propulsion B&jing University of Aeronautics and Astronautics.Beijing 100191 China)

5、.Abstract： Numerical simulation of annular detonation duct with orifice plate of different numbers were carried out to study the phenomena of flame acceleration the evolution of deflagration to detonation transition (DDT) and the detonation initiation distances at differ* ent equivalence ratios. Two

6、-dimensional axisymmetric and unsteady Navier-Stokes equations were numerically simulated. The results of numerical simulation show that laminar flame is generated by low energy ignition in the region of flame mixing. The flame of low velocity jets to annular detonation duct and propagates to the ex

7、port with a changed direction. The laminar flame becomes turbulent flame in the obstruction of office plate and under the acceleration action of shock wave and reflected wave The turbulent flame is strengthened mutir ally with its induced shock wave, and then detonates the unburned mixture. The prog

8、ress of detonation propagation in the region with obstacles was also analyzed. The flame velocities and detonation initiation distances at different equivalence ratios were studied respectively. Through calculation and analysis deep understanding of flame acceleration and DDT was obtained* and data

9、for the mechanism of indirect initiation were accumulatedKey words： detonation； flame acceleration? deflagration to detonation transition?annular detonation duct ； numerical simulation收稿日期：2O1O-O7-15;修訂日期：2010-12-17作者簡介：秦亞欣（1982.女河北石寨莊人.w I TI浜從事*關(guān)技域的研究.1994-2012 China Academic Journal Electronic Pu

10、blishing House. All rights reserved, 1716航空動力學(xué)報第26卷在最短距離獲得充分發(fā)展的爆震波仍是脈沖 爆震發(fā)動機(jī)(PDE)需耍突破的關(guān)鍵技術(shù)Z.爆 虎波起爆冇直接和間接兩種方式.在接起爆所需 能昴非常大.n no n遍采用的起爆方法是間接起 爆間接起爆是采用較低的點火能戢通過爆燃向 爆虎轉(zhuǎn)變(deflagration to detonation transition. 簡稱DDT)的起爆方式為縮短低點火能呈下 DDT距離常用的方法是任爆底室內(nèi)加障礙物. 如孔板、Shchelkin螺紋等等這些都是在單管和 多管脈沖爆震發(fā)動機(jī)上進(jìn)行的研究3】.國內(nèi)外關(guān) 于環(huán)

11、形脈沖爆貫發(fā)動機(jī)的文獻(xiàn)報道很少將環(huán)形 脈沖爆貳發(fā)動機(jī)與傳統(tǒng)渦輪發(fā)動機(jī)組合形成的混 合式脈沖爆恭發(fā)動機(jī)在結(jié)構(gòu)上簡單可行本文設(shè) 計了一種環(huán)形爆底燃燒室以乙烘(OIL)為燃 料以空氣(注門為氧化劑通過改變當(dāng)戢比和孔 板數(shù)的方法研究環(huán)形爆箴室中單次爆震過程的 火焰加速、爆燃向爆震轉(zhuǎn)變特性以及孔板對爆農(nóng) 波形成后的影響作用.希望對環(huán)形爆震室中的火 焰加速和DDT過程有一個全ihi而詳盡的了解. 為間接起爆的機(jī)理研究提供數(shù)據(jù)積累.1數(shù)值方法與模型11數(shù)值方法數(shù)值計算采用二維軸對稱非定常流動的 Naviei-Stokes方程來模擬流體動力學(xué)過程近唯 面采用非平衡樂面函數(shù)處理.在方程離散格式上 采川二階迎風(fēng)格

12、式在算法上應(yīng)用對瞬態(tài)問題有 著明顯優(yōu)勢的 PIS()( pressure implicit split-operator) J? 法叭為了取得較高的計算稱度，時間步 長采用適應(yīng)性時間推進(jìn)最小時間步長為IX 10,0 s授大時間步長為5X10-6 s.化學(xué)反應(yīng)采 用16組分25步反應(yīng)機(jī)理乙烘的化學(xué)反應(yīng)方程 式為：2C2 H2 + 502 4- 18. 8N2 - 4CQ + 2 比()+ 18.8N2.1.2計算與試驗?zāi)Ｐ陀嬎隳Ｐ筒捎门c試驗?zāi)Ｐ拖嗟鹊某叽绛h(huán)形 爆震室長噴為1000mm.內(nèi)環(huán)總徑為49mm外環(huán) 直徑為70mm如圖1所示.試驗采用預(yù)燃室點火 方式火焰通過8個支管向環(huán)符射流火焰從支管

13、射出進(jìn)入火焰混合區(qū)后形成壞形火焰環(huán)形爆震 室中可看成是環(huán)形點火方式.數(shù)值計算中垂直于 爆震室的火焰混合區(qū)長5 mm,高30 nun點火區(qū) 高6mm爆底室內(nèi)孔板間距為30 mm 第一個孔 板距離推力壁40mm孔板數(shù)N = O251O2O 環(huán)形孔板的堵塞比為0. 43.為了節(jié)省計算資 源采用軸對稱模型只訃算模型的一半.為了克 服外界對爆康室內(nèi)流場的干擾訃算過程還増加 了外區(qū).計算網(wǎng)格為四邊形網(wǎng)格模型網(wǎng)格尺寸均 為1mm 并采用了門適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)広爆貫室出 口外區(qū)部分網(wǎng)格尺寸逐漸増大.a)試驗?zāi)Ｐ蛨D1帯扎板的環(huán)形爆後爼Fig. 1 Annular detonation chamber with ori

14、fice plates1.3初值及邊界條件可燃混介物以壓力為0. IMPa、溫度為300K 充滿爆虎室爆底室外區(qū)以空氣填充.采用熱點火 方式點火區(qū)溫度為2 5OOK.壓力為0. 1 MPa 燃 燒產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)為80%可燃混氣體積分?jǐn)?shù)為 20%.模型外區(qū)下端為軸對稱邊界外區(qū)其他邊界 為壓力出口 其壓力和溫度分別0. IMPa和300 K所有壁而、障側(cè)物表面均為絕熱、無滑移.計算結(jié)果及流場分析2.1火焰加速和爆燃向爆震的轉(zhuǎn)變孔板數(shù)N=10的模型.QH./air的當(dāng)量比 卩=06時.在距離推力壁280 mm處出現(xiàn)爆虎波. 火焰加速過程如圖2圖4.火焰從垂直于爆爲(wèi)室 的火焰混合區(qū)進(jìn)入爆離室時的速度為1

15、22m/s,然 后改變方向沿軸線向開LI端傳播(圖2(a)；火焰 加速彫脹壓縮木燃混氣在爆震室中產(chǎn)生一道道300130023003300壓縮波(圖4(a).(b)；火焰?zhèn)鞑サ娇装逄帍膹较虺叽鐬?. 5 mm的外通道通過并發(fā)生局部熄火現(xiàn)象(圖2(b) (c) .(d)；火焰誘導(dǎo)激波在孔板TJK 1=0.1979 m 心(b) f=0.5992 rmle) t=0.8043(d) z=0.9574 ms(e) = 1.059 m(g) /=l.l 13 im佃“=0.1979 n卜(l) f=().5W2勾2火焰加速過用溫度的變化Fig. 2 Variation of temperature du

16、ring flameacceleration process圖3火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓疐i呂.3 Variation of flame propagation velocity一/-、=-= rJL一( /=().K(M3 叫(g)1.1 H圖4 火焰加速過程爪力的變化Fig. 4 Variation of pressure during flameacceleration process上碰撞產(chǎn)生反射波反射波與激波相互作用加速 火焰|何的傳播速度逐漸增人的火焰又對激波起 到増強(qiáng)作用；圖4(b)(c)(d)中的壓力“由022 MPa增加到0. 42 MPa,在孔板的阻咼作用下，形 成了如圖2所示的

17、火焰形狀；將不同時刻火焰鋒 Ifil的距離除以時間間隔可以得到火焰?zhèn)鞑ニ俣? 火焰速度逐漸增加到了 500m/s左右(圖3)；隨著 火焰速度的刑加.火焰溫度也逐漸升高熄火的地 方被再次引燃孔板周麗的燃料也開始燃燒火焰 形狀變得比較“飽滿”(圖2(e)；火焰誘導(dǎo)激波在 孔板的作用F逐漸增強(qiáng)(圖4(e),(0).火焰速度 也增加到T 970m/s(250mm處)；此時在火焰和 強(qiáng)激波之間的未燃物中形成了爆炸中心(hot spots) 爆炸中心與未燃?xì)庵g存在很大的壓力 差(圖2(f)、圖4(f).火焰速度迅速上升到了 1 700 m/s 強(qiáng)激波與火焰鋒面間的距離逐漸縮小最 終耦合在一起完成了爆燃向

18、爆賓轉(zhuǎn)變的全過程. 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第8期秦亞欣等：環(huán)形爆震室中火焰加速的數(shù)值模擬及驗證17172.2孔板對爆震波的作用0 110192.X3.7(b)孔板數(shù)N = 20的模.C2H2/air的肖就比 卩=10時.在距離推力壁75mm處岀現(xiàn)爆震波. 爆離波向后傳播經(jīng)過第4和第5個孔板時的變化 如圖5所示.整體來看爆震波在剛形成時強(qiáng)度 較人隨后發(fā)展為較為穩(wěn)定的爆冬波爆震波遇到 孔板在孔板上發(fā)生碰撞反射任通道內(nèi)發(fā)生繞 射繞射波強(qiáng)度減弱(圖5(a).(

19、b).(c)；繞射波 遇到內(nèi)環(huán)壁1何碰撞后發(fā)生氣赫反射出現(xiàn)一道耳 赫桿在壁面附近形成由入射波、反射波和馬赫桿 構(gòu)成的“三波點”結(jié)構(gòu)爆爲(wèi)波強(qiáng)度隨Z增強(qiáng)(圖5 (d) .(c)；爆震波繼續(xù)向前傳播，馬赫桿不斷向外 環(huán)臟而擴(kuò)張爆艇波壓力也趨于均勻(圖5(f). (g).(h).(i).W終形成較均勻的平面爆震波(圖 5(j) 平由|爆震波再次遇到孔板繼續(xù)重復(fù)以上 過程.(r)mm處速度達(dá)到最大690 m/s隨后速度開始F 降到火焰?zhèn)鞑サ奖鹗页鯨I 速度基本都維持 在570m/s左右火焰處于-種低速爆燃狀態(tài).當(dāng) 量比卩=0608時火焰以較大的加速度上升到 ChapmairJouguet(CJ )爆震

20、波速而后保持在各 A的CJ爆震波速附近向G傳播.當(dāng)屋比爭=1. 0 時火焰以較人的速度從火焰混介區(qū)垂住射向環(huán) 形爆態(tài)室在爆歳室內(nèi)環(huán)壁I們發(fā)生較強(qiáng)的火焰聚 心和火焰誘導(dǎo)激波聚焦現(xiàn)象使得任推力壁附近 時火焰速度已經(jīng)很大在距離推力壁70mm處形 成了爆箴波.從圖上還可以看出當(dāng)最比越大CJ 爆震波速也越大.(u=.0cuta2000IHOO1()001400120010008006004002005xT 46*600lsiliov/nivn p=0.5 p=D.6 ps0.8 p= 1.022001994-2012 China Academic Journal Electronic Publishin

21、g House. All rights reserved, 第8期秦亞欣等：環(huán)形爆震室中火焰加速的數(shù)值模擬及驗證1717lD()圖6不同當(dāng)址比F火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊氖芑疐ig. 6 Variation of flame propagation velocityat different equivalence ratios1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第8期秦亞欣等：環(huán)形爆震室中火焰加速的數(shù)值模擬及驗證1717)0(F)6)(i)(J)圖5爆震波在幾板區(qū)的傳播Fig.

22、 5 Detonation propagation in district with orifice plates2.3不同當(dāng)呈比下的火焰速度在孔板數(shù)N=10時用相同的點火能量對不 同當(dāng)M比的可燃混氣點火火焰加速過程不同如 圖6所示.當(dāng)量比卩=05時在孔板的作用下火 焰加速加速過程比較緩慢.6008(X)圖9計試驗值火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶Ρ菷ig. 9 (omparison of flame propagation velocitybetween calculation and experiment4結(jié)論研究結(jié)果表明用較低的能戢點火可以形成 環(huán)形火焰環(huán)形火焰在火焰混合區(qū)加速燃燒以一 定的速度垂直向爆

23、震室射流；射流火焰向內(nèi)環(huán)S ifii聚心火焰誘導(dǎo)激波在內(nèi)環(huán)壁ihi反射火焰誘導(dǎo) 激波、反射波以及火焰相互作用并轉(zhuǎn)向沿軸線向 爆震室出口傳播；孔板的阻砰作用增加了火焰的 湍流使得火焰加速燃燒同時火焰誘導(dǎo)激波強(qiáng) 度增強(qiáng)在幾板上碰撞產(chǎn)生反射波反射波與前& 激波相互作用加速火焰?zhèn)鞑ネ瑫r火焰對激波起 到增強(qiáng)作川；火焰速度逐漸增人亡到形成爆震波. 完成爆燃向爆匪轉(zhuǎn)變的全過程孔板對爆震波的 作用分析發(fā)現(xiàn)爆鳶波遇孔板發(fā)生繞射繞射波強(qiáng) 度減弱并在內(nèi)環(huán)唯面碰掩發(fā)生勺赫反射出現(xiàn)一 道馬赫桿馬赫桿逐漸向外環(huán)壁面擴(kuò)張，爆震波強(qiáng) 度逐漸趨于均勻再遇到孔板重復(fù)以上過程.任孔板數(shù)N=10時當(dāng)量比越大越容易形成 那震波.當(dāng)最比

24、 0.5.時爆震室內(nèi)不能形成爆 箴波；當(dāng)就比0.8時孔板對火焰加速和DDT起了決定性的作用；當(dāng)呈比詐0. 9時.孔板 數(shù)對起爆距離的影響很小爆喪波均在距離封閉 端8 5 m m以內(nèi)形成本文還通過試驗対數(shù)值計算 進(jìn)行了驗證.通過以上分析對火焰加速和DDT 過程有了更加全I(xiàn)ftl認(rèn)識為間接起爆的機(jī)理研究 増加了數(shù)據(jù)積累.參考文獻(xiàn)：1 1 De Will Ik Ciccarclli G Zhang F.ct al. Shock reflection dctonat：on initiation studies for pulse detonation engines Lj. Journal of Pr

25、opulsion and Power. 2005,21(6)： 1118- 1125.2 Lee S Y Conrad C Watts J cl al. lAcflagrHtion to detonation transition study using simultaneous schlicrcn and( H PL1E imagesLR. AIAA 2000-3217,2000.3嚴(yán)傳俊范瑋脈沖爆廠發(fā)動機(jī)原理及關(guān)進(jìn)技術(shù)M.兩 安個北I：業(yè)大學(xué)出版社.2005.YAN Chuanjun F/N Wei. The theory and key technology of pulse deton

26、ation engineM. Xian： Northwestern Polytechnic! 1 University Pre2005. (in Chinese)：4李建玲范瑋嚴(yán)傳俊等.脈沖堀理火箭發(fā)動機(jī)間接起爆 實驗研究口熱科學(xué)紜技術(shù).2007.6(3) ：26-273.LI JianlingFAN Wei, YAN Chuanjunct al. Experimental invcHtigHtion on indirect initiation of detonation in PDRE .J Journal of Thermal Science and Technology. 2007,6

27、 (3):26273. (in Chinese)Tangirala V E. Dean A J. Tsuboi N ct al. Performance On a pulc detonation engine under ubsonic and supcrMOnic fliRht conditionsRt AIAA 2007-124512(X)7.6劉建文鐘誠文趙”苗多管脈沖爆竄發(fā)動機(jī)後場數(shù)值研究口推進(jìn)技術(shù).2007.28(6):674-678.Lil Jianwen. ZH()N(i (hengwen. ZHAO ShumiaO. Numerical investigation of multi-tube pulse detonation engineLjJ. Journal of Propulsion Technology. 2007.28(6)： 674- 678. (in Chinese)7 Wintenberger E, Austin J Cooper ct nl. Analytical model for the impulse of single-cycle pulse detonation tube LjJ. Journal of Propulsion and Power.2003.19(1) ：22-38.8 Hofer I)