【摘 要】
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相比于传统的涡轮和火箭发动机,旋转爆轰发动机以近似等容的爆轰燃烧为基础,在较为简单的构造中,仅需一次点火就能够产生更高的比冲、热效率和压增,逐渐成为了航空航天推进领域的研究热点。先前的研究中,燃料主要为氢气、甲烷、乙烯等气相可燃物。本课题以铝粉/空气为反应物,通过单步表面反应机理,对不同当量比、空气质量流量、来流总温下气固两相旋转爆轰发动机的流场进行二维数值模拟研究。此外,考虑到单步表面反应机理存
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相比于传统的涡轮和火箭发动机,旋转爆轰发动机以近似等容的爆轰燃烧为基础,在较为简单的构造中,仅需一次点火就能够产生更高的比冲、热效率和压增,逐渐成为了航空航天推进领域的研究热点。先前的研究中,燃料主要为氢气、甲烷、乙烯等气相可燃物。本课题以铝粉/空气为反应物,通过单步表面反应机理,对不同当量比、空气质量流量、来流总温下气固两相旋转爆轰发动机的流场进行二维数值模拟研究。此外,考虑到单步表面反应机理存在的不足之处,又进行了铝粉/空气燃烧的多步反应机理模拟,并在多步反应机理下研究了不同颗粒注入速度对流场的影响。结果表明,各工况下燃烧室内基本的流场与气相旋转爆轰发动机相似,但由于颗粒注入速度和空气注入速度存在差异,使得反应物区中的颗粒三角区和空气三角区不完全重叠。同时,气固两相之间的相互作用使得颗粒呈现出特有的分布特性,包括2个颗粒群和4条颗粒带以及它们之间的间隙。各工况下,燃烧室内的流场和颗粒分布特性相似,但爆轰波参数却变化明显。当当量比从0.6增加到1.4时,由于爆轰波前的平均局部当量比从0.929增加到2.093,爆轰波速度从2070 m/s降低到1690 m/s,爆轰波压力从5.67 MPa降低到4.87 MPa。当空气流量为20 kg/s时,爆轰波解耦并被吹走;随着空气流量从30 kg/s增加至60 kg/s,爆轰波速度从1710 m/s增加至1840 m/s,爆轰波压力从2.89 MPa增加至6.02 MPa;空气流量继续增大至80 kg/s时,爆轰波速度反而降低至1830 m/s,但爆轰波压力增加至7.87 MPa。当空气来流总温从300 K增加至900 K时,爆轰波速度保持1810 m/s不变,爆轰波压力由7.04 MPa降低至4.52 MPa。在多步反应机理模拟中,燃烧室内基本的流场和颗粒分布特性与单步表面反应模型完全类似,获得的爆轰波参数更加接近实验值和理论值,但由于颗粒和空气在注入燃烧室时存在较大的温度差,会引起爆轰波的不稳定传播现象。当颗粒注入速度从1 m/s增加至70 m/s,爆轰波速度和温度逐步减小,不稳定传播现象变弱;当颗粒注入速度增加至100 m/s时,爆轰波速度和温度反而增加,不稳定传播现象也随之增强。而各颗粒注入速度下,爆轰波压力在3 MPa上下波动。
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