新型激波聚焦脈沖爆震模型連續(xù)起爆探究

張頌睿， 曾 昊， 何立明， 胡 煜， 原昱巍

(空軍工程大學(xué)航空工程學(xué)院， 西安， 710038)

爆震燃燒是一種更高效的能量轉(zhuǎn)換方式，基于爆震燃燒的熱力循環(huán)過程具有更高的熱效率[1-2]。此外，采用爆震燃燒的動(dòng)力裝置還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作范圍寬、推質(zhì)比高，耗油率低等潛在優(yōu)點(diǎn)[3-4]。為提高脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的工作頻率，俄羅斯科研人員提出了兩級(jí)脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)(2-stage pulse detonation engine，2-stage PDE)的概念[5]。激波聚焦起爆的兩級(jí)脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)是一種利用超聲速射流在凹面腔內(nèi)產(chǎn)生激波匯聚，起爆可燃混合氣，形成爆震燃燒的一種新概念發(fā)動(dòng)機(jī)，是爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的一種。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼對(duì)2-stage PDE進(jìn)行了大量研究，并取得了一定研究成果。美國(guó)的GE研究中心的Leyva等在2003年對(duì)基于冷態(tài)條件下2維凹面腔內(nèi)超聲速射流對(duì)撞進(jìn)行試驗(yàn)和數(shù)值模擬，通過分析在不同射流噴管入口寬度和凹面腔出口寬度條件下的試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)射流摻混現(xiàn)象以及聲學(xué)共振現(xiàn)象，但是沒有觀測(cè)到激波聚焦，凹面腔底部的壓力脈動(dòng)幅值也很小[6]；日本的Taki和Fujiwara等通過數(shù)值模擬研究了環(huán)形超聲速射流聚心碰撞誘導(dǎo)激波聚焦起爆爆震的過程，發(fā)現(xiàn)每2次聚焦會(huì)產(chǎn)生1次爆震，爆震頻率穩(wěn)定在5 Hz，與凹面腔內(nèi)溫度相關(guān)[7]。國(guó)內(nèi)科研人員也對(duì)2-stage PDE相關(guān)技術(shù)進(jìn)行大量研究。西北工業(yè)大學(xué)的陳星谷等采用二維數(shù)值模擬了預(yù)爆管不同排布對(duì)預(yù)爆管起爆主爆管混氣的影響[8]；曾昊、榮康等開展凹面腔、尾噴管、射流噴管結(jié)構(gòu)參數(shù)以及射流參數(shù)對(duì)激波聚焦及起爆爆震影響規(guī)律的研究[9-13]；南京航空航天大學(xué)的張義寧等研究了爆震波從預(yù)爆管向主爆管傳播特性[14-15]。但是到目前為止，成功連續(xù)起爆的2-stage PDE經(jīng)驗(yàn)依舊比較少，相關(guān)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果依舊不足，缺乏數(shù)據(jù)資料和仿真結(jié)果，對(duì)于下一步優(yōu)化和改良2-stage PDE結(jié)構(gòu)缺乏數(shù)據(jù)支撐。本文通過對(duì)已有試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值仿真，試圖為激波聚焦爆震起爆方式尋找新的思路。

1 計(jì)算模型

本文計(jì)算模型是基于文獻(xiàn)[16]所使用的已有的試驗(yàn)裝置的改進(jìn)，原有試驗(yàn)裝置如圖1所示，該結(jié)構(gòu)用煤油作為燃料，氣流在進(jìn)入凹面腔前分為兩股。第一股氣流與燃料過渡富油預(yù)混并燃燒，起到裂解煤油作用，從內(nèi)管流至凹面腔前；第二股氣流在內(nèi)外管道之間在進(jìn)入凹面腔前與第一股氣流摻混。兩股氣流在凹面腔前摻混并在凹面腔內(nèi)射出并對(duì)撞產(chǎn)生強(qiáng)激波，而后利用凹面腔結(jié)構(gòu)反射聚焦，產(chǎn)生爆震起爆點(diǎn)，引發(fā)爆震(如圖2和圖3所示)。

(a)試驗(yàn)裝置

圖1 試驗(yàn)設(shè)備[14]

圖2 兩級(jí)PDE結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 環(huán)形射流在凹面腔內(nèi)碰撞產(chǎn)生激波會(huì)聚爆震的過程

該結(jié)構(gòu)在經(jīng)過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究后[16-17]，暴露出一些問題，凹面腔的射流入口同時(shí)兼具混合氣體填充和形成激波作用，在多循環(huán)工作中很難同時(shí)完成這兩種功能，原因是：一是只要環(huán)形射流入射通道出口有壓差(盡管很小)，就會(huì)形成入射射流，從而形成氣幕封閉了凹面腔底部廢氣的排出，這樣在凹面腔近壁面附近燃料不能有效填充和摻混均勻，影響下一循環(huán)起爆；二是凹面腔底部被封閉的未及時(shí)泄出的帶有余壓氣體阻止了環(huán)形射流出口有效壓差的形成，很難形成足夠強(qiáng)度的激波及其聚焦起爆。

針對(duì)這些問題，本文進(jìn)行了模型改造，結(jié)構(gòu)如圖4和圖5所示。

1)為保證快速有效填充，環(huán)形射流出口由聚心對(duì)向布局改為沿凹面腔切向射入，期望燃料混合氣能“擠出”上一循環(huán)的廢棄物，達(dá)到完全填充凹面腔的目的；

2)點(diǎn)火方式由之前純依靠高強(qiáng)度射流形成激波聚焦點(diǎn)火，改為在環(huán)形射流通道入口處使用耗能較小的微弱火花點(diǎn)火，再依靠漸縮通道、狹窄環(huán)縫和彎面通道相繼加速爆震波的形成，期望利用在環(huán)形通道出口形成爆震波，形成爆震波向凹面腔內(nèi)的傳播，或者經(jīng)衍射爆震解耦后形成足夠強(qiáng)度的激波再經(jīng)聚焦點(diǎn)火起爆爆震波。

3)采用高頻火花點(diǎn)火時(shí)序配合大流量快速填充以形成高頻爆震循環(huán)工作。

本文將圖4和圖5所示的三維模型取軸向剖面，簡(jiǎn)化為二維平面模型，且忽略了實(shí)際設(shè)計(jì)模型的安裝間隙。計(jì)算采用FLUENT Realizablek-ε湍流模型，PISO算法，非平衡壁面函數(shù)法的近壁面處理，導(dǎo)入chemkin H2/air 9項(xiàng)19步反應(yīng)機(jī)理。

圖4 物理模型

圖5 計(jì)算模型

算法驗(yàn)證方面，利用文獻(xiàn)[18]H2/air化學(xué)恰當(dāng)比(H2質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.83%，O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)22.65%)在直徑10 mm，未封閉開口端爆震管試驗(yàn)數(shù)據(jù)，與本文所用算法在相同網(wǎng)格尺寸條件下計(jì)算所得爆震數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可得數(shù)據(jù)表1。其速度和壓力誤差分別為1.06%和3.22%，證明本文計(jì)算方法可靠。

表1 爆震波參數(shù)結(jié)果對(duì)比

H2/air預(yù)混氣體由壓力進(jìn)口進(jìn)入，首先對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行填充。填充完成后，在進(jìn)口處進(jìn)行點(diǎn)火，火焰進(jìn)入凹面腔前傳播并形成爆震轉(zhuǎn)捩，若爆震波在凹面腔內(nèi)無(wú)法自持，則利用爆震波解耦后產(chǎn)生的強(qiáng)激波在凹面腔內(nèi)聚焦起爆點(diǎn)火。整體工作過程可分為填充過程，點(diǎn)火、燃燒傳播過程(緩燃轉(zhuǎn)爆震，DDT)過程，凹面腔聚焦與推力產(chǎn)生過程，廢氣排出與再填充過程。本次以化學(xué)恰當(dāng)比時(shí)對(duì)以上過程仿真情況進(jìn)行討論。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 填充過程

填充過程為試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，理論上不算做工作過程的一部分。但同時(shí)，填充過程是該試驗(yàn)件在非熱態(tài)條件下廢氣排出(再填充)過程的簡(jiǎn)化和冷狀態(tài)形式，也作為再填充結(jié)果的比較標(biāo)準(zhǔn)。

填充過程首先在進(jìn)口處通入空氣，并保證流場(chǎng)穩(wěn)定，再在進(jìn)口處前噴入燃料，使進(jìn)口保持預(yù)定的混合氣濃度并使混合氣在出口處濃度達(dá)到可保證起爆濃度。該過程計(jì)時(shí)從噴入混合氣開始，到出口H2濃度可接受為止。填充過程總體持續(xù)時(shí)間為10 ms，過程結(jié)束時(shí)出口處氫氣濃度如圖6與圖7所示。

圖6 爆震管出口截面H2質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖7 填充過程結(jié)束時(shí)刻H2分布

在流場(chǎng)穩(wěn)定時(shí)，可觀察到試驗(yàn)腔體內(nèi)各部分流場(chǎng)情況。其中，收縮段由于空間較大，出口較小，壓力很高，填充過程緩慢，約占總填充時(shí)間一半左右(穩(wěn)態(tài)壓力見圖8)。而在凹面腔及試驗(yàn)噴口處，由于出口較大，且出口后壓力較小，致使該段氣流速度很大，壓力較小，填充速度很快。

圖8 穩(wěn)態(tài)壓力場(chǎng)

2.2 燃燒傳播(DDT)過程

當(dāng)爆震管出口組分以達(dá)到起爆要求后進(jìn)行點(diǎn)火，點(diǎn)火溫度為1 300 K，此時(shí)時(shí)間為t=10.00 ms。點(diǎn)火后，火焰向四周傳播，其中沿氣流方向發(fā)展較快，并持續(xù)貼收縮段上部壁面向前傳播。由于點(diǎn)火位置在收縮段上壁面，因此火焰在被進(jìn)口來(lái)流吹向后方的過程中，壁面附近氣體黏性作用對(duì)燃燒波傳播產(chǎn)生明顯干擾效果，近壁面湍流火焰面被拉長(zhǎng)。

在t=10.20 ms時(shí)刻，當(dāng)火焰?zhèn)鞑ブ潦湛s段上壁面約37 mm處時(shí)，由于點(diǎn)火產(chǎn)生的壓力波傳播到該位置，進(jìn)一步刺激已有的近壁面火焰向爆震轉(zhuǎn)捩，進(jìn)而產(chǎn)生明顯壓力溫度躍升，并快速向前傳播，完成DDT過程(見圖9～11)。

圖9 t=10.20 ms時(shí)收縮段壓力云圖

圖10 t=10.20 ms時(shí)收縮段OH濃度云圖

觀察收縮段結(jié)構(gòu)，上壁面在入口處附近由于管徑增加，產(chǎn)生較厚的低速區(qū)未被進(jìn)口來(lái)流吹除，為火焰相對(duì)低速穩(wěn)定創(chuàng)造了條件，且再填充過程中該區(qū)域填充結(jié)果較好，壓力較高，適合火焰轉(zhuǎn)捩。但由于收縮段較為封閉，爆震產(chǎn)生并向前傳播后仍有較強(qiáng)壓力波系在內(nèi)部反射前傳，最終留存一定壓力。

圖11 t=10.23 ms時(shí)收縮段壓力云圖

在爆震波向前傳播中并未發(fā)生爆震解耦現(xiàn)象，至彎管段出口處溫度與壓力基本保持穩(wěn)定(見圖12、13)。

圖12 t=10.34 ms時(shí)收縮段壓力云圖

在化學(xué)恰當(dāng)比情況下，爆震過程在收縮段內(nèi)已經(jīng)發(fā)生，狹長(zhǎng)段和彎曲段對(duì)爆震傳播無(wú)明顯促進(jìn)作用。爆震波在狹長(zhǎng)段和收縮段傳播耗時(shí)約0.2 ms。

圖13 t=10.50 ms時(shí)彎管段壓力云圖

2.3 凹面腔聚焦過程

凹面腔內(nèi)由于結(jié)構(gòu)與尺寸等原因在填充過程中會(huì)存在兩處較為明顯的渦流，分別駐留在凹面腔底部和管壁底側(cè)彎曲段出口旁邊(見圖14)。在填充過程結(jié)束時(shí)，兩處渦內(nèi)，H2濃度明顯低于周邊區(qū)域，也明顯低于設(shè)計(jì)點(diǎn)(圖7)。但若要選擇在兩處渦內(nèi)完成填充，將耗費(fèi)大量時(shí)間，并浪費(fèi)一部分燃料。為縮短單次工作時(shí)間，使工作頻率最大化，選擇在出口H2濃度可接受時(shí)進(jìn)行點(diǎn)火。

圖14 填充過程結(jié)束時(shí)凹面腔內(nèi)流線圖

當(dāng)爆震波從彎管段進(jìn)入凹面腔，可觀察到爆震波在H2濃度高，即非渦流區(qū)域未發(fā)生解耦且持續(xù)發(fā)展，并且在軸線碰撞聚焦，隨后匯聚的爆震波沿軸線向后傳播并不斷增強(qiáng)，最終從出口排出，見圖15至圖17。而在凹面腔底部駐渦區(qū)域由于燃料濃度過低，爆震無(wú)法維持，遂衰減為強(qiáng)激波(可于圖16凹面腔底部觀察到明顯的分離激波與火焰)，并且沿凹面腔持續(xù)匯聚，最終與在凹面腔底部中心軸線聚焦的另一部分爆震波聚焦，形成一個(gè)高壓力點(diǎn)。之后該高壓力區(qū)擴(kuò)散發(fā)展，一部分與彎管段出口加速膨脹氣體相撞，形成激波，該激波沿凹面腔傳回彎管段，造成爆震反傳。

圖15 爆震波碰撞時(shí)OH組分云圖

圖16 爆震波軸向傳播時(shí)OH組分云圖

圖17 爆震波排出時(shí)OH組分云圖

此過程證明在爆震管入口處以爆震直接傳入方式點(diǎn)燃可以保證在燃料濃度合適的爆震管后部區(qū)域持續(xù)爆震不解耦，并最終從出口傳出。證明了在前部設(shè)置爆震誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)的作用，但同時(shí)也說明凹面腔內(nèi)在填充過程中產(chǎn)生的渦導(dǎo)致的填充效率低下問題會(huì)導(dǎo)致凹面腔無(wú)法發(fā)揮激波聚焦功能，導(dǎo)致凹面腔結(jié)構(gòu)功能失效。

2.4 廢氣排出與再填充過程

廢氣排出過程與填充過程類似，但其中區(qū)別的是當(dāng)填充過程完成并點(diǎn)火后，燃料將由于爆震產(chǎn)生的反壓而停止注入。經(jīng)過設(shè)計(jì)，此時(shí)注入一定量不可燃空氣隔絕新鮮混合氣與廢氣，防止火焰前傳或停駐在進(jìn)口附近。

因此，再次沖入混合氣前需要預(yù)先沖入部分空氣，本次數(shù)值模擬廢氣排出過程開始時(shí)刻記為t=11.5 ms。根據(jù)流場(chǎng)溫度確定低溫不可燃?xì)怏w通入時(shí)長(zhǎng)，確定可燃混合氣充入時(shí)空氣基本充滿收縮段(t=13.5 ms，此時(shí)溫度場(chǎng)見圖18)。當(dāng)再次填充至爆震管出口濃度與第一次填充過程結(jié)束時(shí)基本一致時(shí)結(jié)束(t=19.1 ms，此時(shí)可燃?xì)鉂舛葓?chǎng)見圖19)，再填充過程總時(shí)長(zhǎng)7.6 ms。

圖18 混合氣充入時(shí)刻溫度云圖

圖19 再填充結(jié)束時(shí)刻H2濃度云圖

總體而言，本模型由于并非使用設(shè)計(jì)燃料煤油進(jìn)行仿真，緩燃轉(zhuǎn)爆震過程(DDT)發(fā)生較早，考慮取消了傳統(tǒng)2級(jí)PDE中煤油預(yù)燃裂解過程，本次仿真中預(yù)爆震結(jié)構(gòu)在實(shí)際液體燃料預(yù)混氣體點(diǎn)火時(shí)可能DDT時(shí)刻更加偏后。爆震波在爆震管內(nèi)的傳播證明凹面腔結(jié)構(gòu)在填充過程中產(chǎn)生的渦會(huì)影響爆震波在爆震管內(nèi)傳播。

最后，該次數(shù)值仿真單次循環(huán)時(shí)間為9.1 ms(從點(diǎn)火開始)，填充時(shí)間(取廢氣排出與再填充過程)為7.6 ms，占總時(shí)間83.5%。假設(shè)每次循環(huán)時(shí)間均為9.1 ms，則該結(jié)構(gòu)在使用H2作為燃料，化學(xué)恰當(dāng)比條件下工作頻率109 Hz。

3 計(jì)算模型分析

假設(shè)當(dāng)火焰在收縮段，狹長(zhǎng)段和彎曲段內(nèi)傳播并發(fā)生DDT過程后，在到達(dá)爆震管處已經(jīng)為爆震波，在進(jìn)入爆震管則存在3種可能：①爆震波繼續(xù)傳播，小管引爆大管過程實(shí)現(xiàn)；②爆震解耦，但解耦激波聚焦，產(chǎn)生起爆點(diǎn)，重新爆震，小管引爆大管過程實(shí)現(xiàn)；③爆震解耦，解耦激波聚焦，但能量不足，無(wú)法起爆，小管引爆大管過程未實(shí)現(xiàn)。

本次仿真中，凹面腔結(jié)構(gòu)僅在情況②時(shí)發(fā)揮作用，然而，爆震解耦后繼續(xù)向前傳播的激波增壓比下降明顯，凹面腔結(jié)構(gòu)所采用的模型在爆震波進(jìn)入爆震管時(shí)基本無(wú)過渡，壓力波在爆震管中傳播約束少，解耦后激波增壓效果更差。但凹面腔底部無(wú)足夠可燃?xì)怏w，其需要向燃料富足的爆震管前方傳播。以已產(chǎn)生爆震的上節(jié)算例為例，圖21、圖22、圖23顯示了主爆震管入口壓力，凹面腔底部壓力，凹面腔前非渦流區(qū)壓力在爆震波傳入后隨時(shí)間變化曲線，可看出即使凹面腔底部最大壓力達(dá)到440 Mpa(由于沿凹面腔聚焦激波與非沿凹面腔對(duì)撞激波再次相撞導(dǎo)致)，其高壓區(qū)向外擴(kuò)散后到其附近可燃?xì)飧蛔銋^(qū)最大壓力也只達(dá)到8.6 Mpa(由于軸向氣體加速膨脹，導(dǎo)致壓力較小)。

圖20 監(jiān)控點(diǎn)位置示意圖

圖21 爆震管進(jìn)口壓力曲線

圖22 凹面腔底部壓力曲線

圖23 可點(diǎn)燃處壓力曲線

當(dāng)爆震波進(jìn)入凹面腔后解耦，解耦激波自行聚焦時(shí)，首先由于激波強(qiáng)度弱于爆震波，聚焦產(chǎn)生高壓壓力相對(duì)較小；同時(shí)，又由于凹面腔內(nèi)渦流，凹面腔底部無(wú)可燃?xì)怏w，聚焦產(chǎn)生高壓區(qū)需要向軸向前方傳播壓力波以點(diǎn)燃混合氣，但該壓力波在傳播過程中迅速減弱，該壓力波將無(wú)法點(diǎn)燃可燃混合氣。而且，爆震解耦后滯后的燃燒由于渦流區(qū)位于凹面腔和側(cè)壁面而無(wú)法依靠壁面黏性影響燃燒湍流重新起爆。因此，可推斷該凹面腔結(jié)構(gòu)爆震管在爆震解耦后基本無(wú)法再次產(chǎn)生DDT過程使爆震復(fù)燃。

4 結(jié)論

本文針對(duì)切向入射的激波聚焦脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值仿真，探究了預(yù)爆震結(jié)構(gòu)內(nèi)爆震波的產(chǎn)生，主爆震管內(nèi)爆震波聚焦傳播以及全過程的燃料/空氣混合氣填充問題，特別就凹面腔結(jié)構(gòu)和圓弧椎體式激波聚焦結(jié)構(gòu)進(jìn)行了討論，得出了以下結(jié)論：

1)凹面腔模型在H2燃料化學(xué)恰當(dāng)比條件下可在進(jìn)入爆震管前起爆，并在爆震管內(nèi)聚焦并向前傳播，單次循環(huán)時(shí)間為9.1 ms，填充時(shí)間為7.6 ms，占總時(shí)間83.5%，工作頻率109 Hz；

2)在燃燒傳導(dǎo)到爆震室前設(shè)置收縮段、狹長(zhǎng)段、彎曲段確實(shí)可以誘導(dǎo)爆震波產(chǎn)生，并且可以保證到爆震室前爆震波的正常傳播；

3)凹面腔結(jié)構(gòu)內(nèi)會(huì)在填充過程中于凹面腔底部產(chǎn)生渦流，導(dǎo)致凹面腔底部無(wú)法快速填充，影響爆震傳播過程，未觀察到其對(duì)DDT過程產(chǎn)生正面作用。