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，采用爆震燃燒的動力裝置還具有結(jié)構(gòu)簡單、工作范圍寬、推質(zhì)比高，耗油率低等潛在優(yōu)點[3-4]。為提高脈沖爆震發(fā)動機的工作頻率，俄羅斯科研人員提出了兩級脈沖爆震發(fā)動機(2-stage pulse detonation engine，2-stage PDE)的概念[5]。激波聚焦起爆的兩級脈沖爆震發(fā)動機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)動機，是爆震發(fā)動機的一種。

國內(nèi)外學(xué)者相繼對2-stage PDE進行了大量研究，并取得了一定研究成果。美國的GE研究中心的Leyva等在2003年對基于冷態(tài)條件下2維凹面腔內(nèi)超聲速射流對撞進行試驗和數(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，但是沒有觀測到激波聚焦，凹面腔底部的壓力脈動幅值也很小[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]。國內(nèi)科研人員也對2-stage PDE相關(guān)技術(shù)進行大量研究。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。本文通過對已有試驗結(jié)構(gòu)的改進結(jié)構(gòu)進行數(shù)值仿真，試圖為激波聚焦爆震起爆方式尋找新的思路。

1 計算模型

本文計算模型是基于文獻[16]所使用的已有的試驗裝置的改進，原有試驗裝置如圖1所示，該結(jié)構(gòu)用煤油作為燃料，氣流在進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)射出并對撞產(chǎn)生強激波，而后利用凹面腔結(jié)構(gòu)反射聚焦，產(chǎn)生爆震起爆點，引發(fā)爆震(如圖2和圖3所示)。

(a)試驗裝置

圖1 試驗設(shè)備[14]

圖2 兩級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)生激波會聚爆震的過程

該結(jié)構(gòu)在經(jīng)過實驗和數(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，很難形成足夠強度的激波及其聚焦起爆。

針對這些問題，本文進行了模型改造，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)點火方式由之前純依靠高強度射流形成激波聚焦點火，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度的激波再經(jīng)聚焦點火起爆爆震波。

3)采用高頻火花點火時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，簡化為二維平面模型，且忽略了實際設(shè)計模型的安裝間隙。計算采用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19步反應(yīng)機理。

圖4 物理模型

圖5 計算模型

算法驗證方面，利用文獻[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數(shù)據(jù)，與本文所用算法在相同網(wǎng)格尺寸條件下計算所得爆震數(shù)據(jù)進行對比，可得數(shù)據(jù)表1。其速度和壓力誤差分別為1.06%和3.22%，證明本文計算方法可靠。

表1 爆震波參數(shù)結(jié)果對比

H2/air預(yù)混氣體由壓力進口進入，首先對計算區(qū)域進行填充。填充完成后，在進口處進行點火，火焰進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)無法自持，則利用爆震波解耦后產(chǎn)生的強激波在凹面腔內(nèi)聚焦起爆點火。整體工作過程可分為填充過程，點火、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)比時對以上過程仿真情況進行討論。

2 計算結(jié)果及分析

2.1 填充過程

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

填充過程首先在進口處通入空氣，并保證流場穩(wěn)定，再在進口處前噴入燃料，使進口保持預(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。該過程計時從噴入混合氣開始，到出口H2濃度可接受為止。填充過程總體持續(xù)時間為10 ms，過程結(jié)束時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)束時刻H2分布

在流場穩(wěn)定時，可觀察到試驗腔體內(nèi)各部分流場情況。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，約占總填充時間一半左右(穩(wěn)態(tài)壓力見圖8)。而在凹面腔及試驗噴口處，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

2.2 燃燒傳播(DDT)過程

當(dāng)爆震管出口組分以達(dá)到起爆要求后進行點火，點火溫度為1 300 K，此時時間為t=10.00 ms。點火后，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。由于點火位置在收縮段上壁面，因此火焰在被進口來流吹向后方的過程中，壁面附近氣體黏性作用對燃燒波傳播產(chǎn)生明顯干擾效果，近壁面湍流火焰面被拉長。

在t=10.20 ms時刻，當(dāng)火焰?zhèn)鞑ブ潦湛s段上壁面約37 mm處時，由于點火產(chǎn)生的壓力波傳播到該位置，進一步刺激已有的近壁面火焰向爆震轉(zhuǎn)捩，進而產(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時收縮段壓力云圖

圖10 t=10.20 ms時收縮段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)未被進口來流吹除，為火焰相對低速穩(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，狹長段和彎曲段對爆震傳播無明顯促進作用。爆震波在狹長段和收縮段傳播耗時約0.2 ms。

圖13 t=10.50 ms時彎管段壓力云圖

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，兩處渦內(nèi)，H2濃度明顯低于周邊區(qū)域，也明顯低于設(shè)計點(圖7)。但若要選擇在兩處渦內(nèi)完成填充，將耗費大量時間，并浪費一部分燃料。為縮短單次工作時間，使工作頻率最大化，選擇在出口H2濃度可接受時進行點火。

圖14 填充過程結(jié)束時凹面腔內(nèi)流線圖

當(dāng)爆震波從彎管段進入凹面腔，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，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，爆震無法維持，遂衰減為強激波(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，形成一個高壓力點。之后該高壓力區(qū)擴散發(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OH組分云圖

圖16 爆震波軸向傳播時OH組分云圖

圖17 爆震波排出時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導(dǎo)致凹面腔無法發(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，此時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刻記為t=11.5 ms。根據(jù)流場溫度確定低溫不可燃?xì)怏w通入時長，確定可燃混合氣充入時空氣基本充滿收縮段(t=13.5 ms，此時溫度場見圖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)束時基本一致時結(jié)束(t=19.1 ms，此時可燃?xì)鉂舛葓鲆妶D19)，再填充過程總時長7.6 ms。

圖18 混合氣充入時刻溫度云圖

圖19 再填充結(jié)束時刻H2濃度云圖

總體而言，本模型由于并非使用設(shè)計燃料煤油進行仿真，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)在實際液體燃料預(yù)混氣體點火時可能DDT時刻更加偏后。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)時間為9.1 ms(從點火開始)，填充時間(取廢氣排出與再填充過程)為7.6 ms，占總時間83.5%。假設(shè)每次循環(huán)時間均為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 計算模型分析

假設(shè)當(dāng)火焰在收縮段，狹長段和彎曲段內(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現(xiàn)；②爆震解耦，但解耦激波聚焦，產(chǎn)生起爆點，重新爆震，小管引爆大管過程實現(xiàn)；③爆震解耦，解耦激波聚焦，但能量不足，無法起爆，小管引爆大管過程未實現(xiàn)。

本次仿真中，凹面腔結(jié)構(gòu)僅在情況②時發(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入爆震管時基本無過渡，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撞激波再次相撞導(dǎo)致)，其高壓區(qū)向外擴散后到其附近可燃?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)控點位置示意圖

圖21 爆震管進口壓力曲線

圖22 凹面腔底部壓力曲線

圖23 可點燃處壓力曲線

當(dāng)爆震波進入凹面腔后解耦，解耦激波自行聚焦時，首先由于激波強度弱于爆震波，聚焦產(chǎn)生高壓壓力相對較小；同時，又由于凹面腔內(nèi)渦流，凹面腔底部無可燃?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，該壓力波將無法點燃可燃混合氣。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法再次產(chǎn)生DDT過程使爆震復(fù)燃。

4 結(jié)論

本文針對切向入射的激波聚焦脈沖爆震發(fā)動機試驗進行了數(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)時間為9.1 ms，填充時間為7.6 ms，占總時間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、狹長段、彎曲段確實可以誘導(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)致凹面腔底部無法快速填充，影響爆震傳播過程，未觀察到其對DDT過程產(chǎn)生正面作用。