帶擴(kuò)張噴管脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)一維兩相流場(chǎng)的計(jì)算

王研艷，翁春生

（南京理工大學(xué) 瞬態(tài)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210094）

發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管的作用是使燃燒室排出的高熱能燃?xì)饫^續(xù)膨脹做功，將其熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，從而盡可能地提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力。而與常規(guī)穩(wěn)態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)（pulse detonation engine，PDE）要達(dá)到這一要求更難，因?yàn)镻DE噴管內(nèi)的流動(dòng)是周期性的、非定常的，且存在相互作用的復(fù)雜激波和膨脹波。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外不少專家學(xué)者對(duì)帶尾噴管的單相脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究［1－4］，內(nèi)容涉及到噴管形狀、喉道與出口面積比、可燃物填充率、爆轟頻率、飛行馬赫數(shù)以及背壓等對(duì)PDE的影響。但結(jié)論不盡相同，同一種噴管在不同的工況下對(duì)PDE性能的影響有所不同，所以對(duì)尾噴管進(jìn)行系統(tǒng)的研究對(duì)PDE應(yīng)用具有重要作用。

筆者在以上基礎(chǔ)上，運(yùn)用CE／SE方法對(duì)兩相脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴管進(jìn)行數(shù)值研究，分析錐形擴(kuò)張噴管對(duì)兩相爆轟波傳播和發(fā)動(dòng)機(jī)排氣過(guò)程的影響。并與帶直噴管PDE進(jìn)行對(duì)比，分析錐形擴(kuò)張噴管對(duì)兩相PDE性能參數(shù)—沖量的影響。為進(jìn)一步研究帶噴管兩相PDE的工作過(guò)程和內(nèi)流場(chǎng)以及合理設(shè)計(jì)兩相PDE的尾噴管提供參考。

1 理論模型

1.1 數(shù)學(xué)模型

一維兩相燃燒轉(zhuǎn)爆轟控制方程如下［5］：

式中：下標(biāo)1、2分別表示氣相和液相；Φ1、Φ2為體積分?jǐn)?shù)比，滿足Φ1＋Φ2＝1；ρ，u，A，p分別是密度、速度、橫截面積和壓力；E是單位總能，E＝e＋u2；Id，F(xiàn)d，Qd，Qc的含義和表達(dá)式見(jiàn)參考文獻(xiàn)［5］。

1.2 評(píng)價(jià)參數(shù)

采用根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出口動(dòng)量變化來(lái)確定沖量的帶噴管PDE性能分析模型［6－7］，瞬時(shí)推力計(jì)算公式為：