引射器喉部面積比對脈沖爆震發動機性能的影響

何立明，曾 昊，羅 俊，張建邦

（空軍工程大學工程學院，西安 710038）

1 引言

引射器是1種增推裝置，用主流來引射2次流使得質量流量得以顯著增大，從而產生比單一主流更大的推力[1]。研究表明，穩態引射器性能的提高主要依靠黏性剪切層的混合實現主、次流間的能量傳遞，而非穩態引射器主、次流間的能量傳輸，部分依靠更有效的本質無黏的流動夾帶機制完成[2-4]。脈沖爆震發動機是1種典型的非穩態動力裝置，為了提高其性能，加裝引射器不失為1種行之有效的增推技術方案。

本文采用數值計算方法通過對使用化學恰當比的氫氣-氧氣混合氣的脈沖爆震發動機安裝收斂擴張型引射器進行的包括推力、沖量和質量流率等性能計算，分析了引射器喉部面積比對脈沖爆震發動機性能的影響，為脈沖爆震發動機增推設計中引射器的選擇提供依據。

2 計算方法與物理模型

2.1 數學模型與計算方法

本文采用FLUENT軟件進行數值模擬，其中燃燒模型選用通用有限速度模型。該模型基于組分質量分數輸運方程的解，采用所定義的化學反應機制，對化學反應進行模擬；反應速率以源項的形式出現在組分輸運方程中，湍流模型選用Spalart-Allmaras模型。該模型是針對航空領域設計的，主要用于求解壁面束縛流動，目前已經顯示出很好的效果[5]。

脈沖爆震發動機起爆的數值模擬采用高能直接起爆來產生爆震，忽略DDT過程。由于高能誘導區的設置對計算的收斂有很大影響，過高的溫度和壓力會引起計算的發散，而溫度過低則不能點燃可爆混合物。根據多次試驗結果，取壓力為2 MPa，溫度為2000 K[6]。羅軍等人對該算法的正確性進行了驗證[7]。

2.2 計算域與網格劃分

本文研究爆震發動機性能隨引射器喉部面積改變的變化趨勢[8]，引射器喉部與爆震管出口位置齊平。引射器喉部面積比是指引射器喉部面積與爆震管橫截面積的比值?？紤]3種情況：收擴型引射器喉部面積比分別為5、10、20。將引射器的入口和出口包含在1個較大的外流場區域中，用內推算法求得引射器入口和出口的邊界條件。外流場的邊界條件設為壓力遠場，馬赫數為0.1。所有壁面都按照絕熱、無滑移處理。爆震管加裝引射器后的網格劃分如圖1所示（為了顯示方便，未將外流場區域顯示出來）。

3 計算結果與分析

爆震波在不同喉部面積比的收擴型引射器中傳播的壓力等值線如圖2所示。

加裝不同喉部面積比收擴型引射器的爆震發動機的推力和沖量變化曲線如圖3～5所示。每幅推力圖都給出了1個爆震循環過程中爆震管產生的推力、引射器壁面產生的推力和總推力；每幅沖量圖也都給出了爆震管在1個爆震循環過程中產生的沖量、引射器壁面產生的沖量和總沖量。每一時刻的推力都通過對壁面上的瞬時壓力積分求得；沖量可通過下式計算得到

式中：A為爆震管推力壁面積或引射器壁面面積。

裝有不同喉部面積比的收擴型引射器爆震發動機的推力和沖量比較曲線如圖6所示。從圖中可見，當引射器喉部面積比變大即喉部擴大、爆震波排出爆震管后，其前導強激波到達引射器擴張壁面的時間會延遲，體現在圖 6（a）中即面積比分別為 5、10、20。前導激波使得引射器提供的正推力峰值基本相同（約4900 N）。當t=4 ms時，從圖6(b)中可見，面積比為5時沖量最大，但隨著喉部面積比的增大，所獲得的沖量卻減小了（面積比分別為5、10、20時，沖量分別為0.76、0.20、0.06 N·s），其原因可以從引射器增推的原理上進行解釋：引射器作為1種增推裝置，其增推原理是對主流能量的再利用。當喉部面積增大時，引射器壁面離爆震管出口變遠，爆震波傳出爆震管后的前導激波到達引射器壁面的時間越長，前導激波的傳播距離就越遠，前導激波離引射器出口的距離也就越近，于是前導激波只需要傳播較小的距離就可以達到引射器出口；而且由于引射器出口也隨著喉部面積比的增大而變大，所以會有更多的主流排出引射器，意味著有更多的能量被帶走。所以，隨著喉部面積的增大，留給引射器的能量越少，引射器的增推作用也就越差。

從圖 6（b）中可見，面積比為 5、10、20 時，沖量增推比分別為1.82、1.21、1.06，即隨著喉部面積比的增大，引射器的沖量增推比大為減小，增推效果大大變差。

3種喉部面積比的主流和引射2次流的流量如圖7所示。

根據圖7，對1個計算循環（約4 ms）的引射2次流質量流率進行平均可得：喉部面積比為5、10、20時，2次流正向質量流率分別為0.56、0.92、1.49 kg/s。3種引射器喉部面積的引射2次流率與沖量增推比之間的關系見表1。

表1 3種喉部面積比下的質量流率與沖量增推比

從表1中可見，隨著引射器喉部面積比的增大，引射2次流率增大，而沖量增推比則減小，引射2次流率與增推比成反比。引射2次流率的增大是由于引射器喉部面積增大使得引射器入口面積增大所致；而沖量增推比減小主要是由于引射器喉部面積比增大后使主流流出引射器的能量增多，留給引射器利用的能量變少的緣故。所以引射器喉部面積比增大后，雖然使流率增大有利于增推，但是能量的損失卻不利于增推，二者綜合之下能量損失占優勢，從而使得增推比減小。

4 結論

通過以上數值計算和分析，可以得到以下結論：

（1）對加裝不同喉部面積比收擴型引射器的爆震發動機進行模擬計算可知，面積比越小時，沖量增推比越大。

（2）2次流率增大主要是由于喉部面積比增大使得引射器入口面積增大所引起；同時，喉部面積比增大后，由于并未相應增加引射器長度，所以會有更多的主流直接從引射器出口排出，并未進行2次作功，使得增推比減小。

（3）喉部面積比增大后，雖然引流率增大有利于增推，但能量的損失卻不利于增推，二者綜合后使增推比減小。

[1]嚴傳俊，范瑋.脈沖爆震發動機原理及關鍵技術[M].西安：西北工業大學出版社，2005.

[2]Yungster S.Multiple Cycle Simulation of a Pulse Detonation Engine Ejector[R].AIAA-2002-3630.

[3]Opalski Anthony B.Detonation Driven Ejector Exhaust Flow Characterization UsingPlanar DPIV[R].AIAA-2005-4379.

[4]Daniel Allgood.Experimental Investigation of a Pulse Detonation Engine with a 2DEjector[R].AIAA-2004-864.

[5]韓占忠，王敬，蘭小平.FLUENT流體工程仿真計算實例與應用[M].北京：北京理工大學出版社，2005.

[6]曾昊.脈沖爆震發動機兩步起爆數值模擬與實驗裝置設計[D].西安：空軍工程大學工程學院，2008.

[7]羅俊，何立明.二維爆震波數值模擬[J].推進技術,2008,29（1）:29-32.

[8]羅俊.脈沖爆震發動機數值模擬與實驗研究[D].西安：空軍工程大學工程學院，2008.