基于液态燃料的旋转爆轰发动机数值模拟

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航空煤油是旋转爆轰发动机的常用燃料。为了深入研究气液两相旋转爆轰发动机的流场结构,本文通过Ansys Fluent建立了非定常两相爆轰的Eulerian-Lagrangian模型,使用SST(shear-stress transport)k-ω模型,采用总包反应机理,假设液滴初始直径均匀,考虑雾化破碎、蒸发及液滴间的随机碰撞与黏合等过程,进行了煤油/空气非预混的二维数值模拟。结果表明:气液两相旋转爆轰流场稳定时,爆轰波波面呈曲面形状传播且表现出较强的瞬态性。波前反应物混合不均,部分氧化剂穿过斜激波螺旋向下游流出,导致燃烧室内存在两条接触间断。采用初始直径30μm的液滴,在来流总温1000 K的空气中,液滴经历雾化破碎、蒸发、混合过程,在当量比0.70-1.15范围,形成稳定单个旋转爆轰波;煤油液滴被爆轰波扫过后未完全燃烧,部分煤油组分混杂在高温产物中沿下游排出;在燃烧室入口处,爆轰波前形成的空气三角形区域面积大于液滴三角形区域。在初始液滴直径1μm-70μm工况范围内,均形成了单个稳定传播的旋转爆轰波;当煤油液滴的初始直径较小时,爆轰波稳定传播,波前的反应物混合过程主要受蒸发的影响;初始直径减小至1μm时,煤油液滴在入口处即蒸发,旋转爆轰波表现为气相传播的特性,爆轰波的结构极为平整;当煤油液滴的初始直径较大时,波前的反应物混合过程主要受液滴破碎的影响;相同的燃料质量流量,在不同初始液滴直径的工况下,爆轰波前的气相燃料与所有燃料相的质量比越高,爆轰波的速度越大;初始液滴直径10μm-70μm工况范围内,爆轰波的速度随初始直径的增大先增大后减小。来流空气总温较低时未能形成旋转爆轰波,900 K~1100 K范围,爆轰波速度随空气总温提高而增大;空气总温1200 K时,RDE(rotating detonation engine)燃烧室内为多波对撞的不稳定燃烧模态。不同的空气流量,冷态条件下,随着空气流量的增加,煤油液滴的雾化距离减小;热态条件下,爆轰波平均波速随着空气流量的增加而增大。基于ZND(Zeldovich,Von Neumann,Doering)模型计算了煤油/空气理想爆轰循环下的热力学效率,并与传统等压燃烧的布雷顿循环热效率进行了比较。结果表明,气液两相爆轰循环热效率较传统布雷顿热效率有明显提升,且在较低的压缩静温比工况下,爆轰燃烧方式更具有优势。
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