非均勻當量比對旋轉爆震燃燒室性能影響的三維數值模擬研究

摘要： 為研究入口當量比的不均勻分布對旋轉爆震燃燒室性能的影響，建立了當量比在入口環縫的徑向或周向的函數模型，將模型公式代入組分質量分數與當量比的關系式，得到組分質量分數在徑向或周向的分布函數。通過Fluent 軟件中的自定義函數工具，構造入口邊界組分的分布函數，利用三維瞬態歐拉方程模擬了C10H22/air 旋轉爆震燃燒室中爆震波的傳播過程及流場特性，對比了不同當量比分布下爆震波及旋轉爆震燃燒室性能參數的變化特征。結果表明：入口當量比的不均勻分布會影響爆震波的傳播特性；當量比為0.4～1.6 且沿徑向非均勻分布時，隨著入口面中線位置當量比的增大，爆震波的高度減?。划斄勘葹?.4～1.6 且沿周向非均勻分布時，隨著變化周期數的增加，爆震波的高度幾乎不受影響；當量比的不均勻分布會削弱旋轉爆震燃燒室的增壓效果和溫升效果，沿徑向不均勻分布的情況相較于沿周向不均勻分布的情況，影響更明顯；旋轉爆震燃燒室內，爆震波的誘導和反應區并非嚴格位于前導激波的正后方，而是位于前導激波的斜后方，且在曲率的影響下，在靠近燃燒室外壁面的區域，前導激波沿中徑圓柱面的圓周線傳播。

關鍵詞： 旋轉爆震燃燒室；非均勻當量比；自定義函數；增壓效果；溫升效果

中圖分類號： O381 國標學科代碼： 13035 文獻標志碼： A

旋轉爆震發動機是一種以爆震作為推進動力方式的新型發動機，爆震過程近似于定容燃燒，具有熱循環效率高的優點。旋轉爆震發動機只需一次點火，即可自維持燃燒，省去了燃燒室前靜子、轉子結構，因此具有結構簡單的優點，有望推動航空航天動力技術的發展[1-2]。其中，旋轉爆震燃燒室（rotatingdetonation combustor， RDC）是發動機的重要部分。對RDC，學者們通過開展入口壓力、當量比、燃燒室的構型等方面的數值分析和試驗研究，取得了一系列的研究成果。

Anand 等[3] 分析了3 種空氣流量和每種空氣流量的3 種當量比下RDC 的運行情況，研究了旋轉爆轟波對進氣和燃料室的壓力反饋。George 等[4] 研究了不同的RDC 初始壓力和通道寬度對爆炸傳播的影響，在一定的當量比范圍內記錄了2 種不同的燃料-氧化劑混合物生成的爆震波的傳播規律。Burke 等[5]將部分燃料預混到氧化劑中，探索了在預混不同當量比的氫氣和空氣后，旋轉爆轟波的傳播情況。Nair 等[6]分析了在不同當量比、質量流量情況下甲烷-氧氣反應物的RDC 中爆震產物的熱力學特性。Salvadori 等[7]通過改變入口燃料和空氣的質量流量，使得全計算域的當量比保持一致，進而對非預混的氫氣/空氣反應物沿徑向噴射的RDC 進行了數值模擬。Mikhalchenko 等[8] 則對富油、貧油和化學計量3 種模式的RDC 內的流場和旋轉爆震波的傳播特性進行了三維數值模擬。Jiang 等[9] 通過求解三維非定常反應流動的Naiver-Stokes 方程，采用一步氫氣/空氣反應機理，研究了不同入口當量比的非預混條件下旋轉爆震波的形成和傳播過程。王順利等[10] 研究了不同噴管構型和不同當量比時RDC 受到的影響。馬元等[11] 采用離散相模型（discrete phase model， DPM），對不同當量比和質量通量下的兩相旋轉爆震波進行二維數值模擬研究，分析當量比和質量通量對非預混、非均勻噴注條件下兩相旋轉爆震波參數的影響。王迪等[12]深入分析了煤油燃料兩相連續RDC 的工作特性，采用富氧空氣或氧氣為氧化劑，通過試驗得到了爆震波的時域、頻域特征，對兩相連續RDC 中爆震波的起爆過程和穩定后的傳播過程進行了研究。馬虎等[13]定量研究了燃料分布對旋轉爆震波傳播特性的影響，針對2 種環縫/小孔噴注方案開展了數值和實驗研究。焦中天等[14] 針對環縫-噴孔結構的RDC，研究了噴孔數量在非預混條件下對旋轉爆震起爆過程的影響。

綜上所述，不少學者研究了不同當量比對爆震波傳播規律或RDC 性能的影響，但大多數都是基于RDC 入口當量比均勻分布的前提下進行的試驗或數值研究。工程實踐中，燃料和氧化劑分別通過入口的小孔噴注，在進入燃燒室時兩者進行摻混，很多情況下會出現摻混不均勻的情況，即在入口截面不同位置反應物的當量比不同。本文中，將這種入口邊界條件簡化，利用自定義函數（user-defined function，UDF），使入口的當量比沿徑向以不同的函數曲線分布，模擬這種不均勻分布，研究該不均勻分布對燃燒室性能的影響。同樣地，各噴注小孔的反應物的當量比也存在差異，小孔是周向分布的，當量比沿周向分布的工況旨在模擬不同噴注小孔之間的當量比分布情況。利用Fluent 軟件建立UDF 來實現當量比在入口處的不均勻分布，對RDC 的各項參數進行分析，獲得當量比的不均勻性對RDC 性能及爆震波傳播的影響。