引射器喉部面积比对脉冲爆震发动机性能的影响

2011-04-27何立明张建邦

航空发动机 2011年2期

何立明，曾昊，罗俊，张建邦

（空军工程大学工程学院，西安 710038）

1 引言

引射器是1种增推装置，用主流来引射2次流使得质量流量得以显著增大，从而产生比单一主流更大的推力[1]。研究表明，稳态引射器性能的提高主要依靠黏性剪切层的混合实现主、次流间的能量传递，而非稳态引射器主、次流间的能量传输，部分依靠更有效的本质无黏的流动夹带机制完成[2-4]。脉冲爆震发动机是1种典型的非稳态动力装置，为了提高其性能，加装引射器不失为1种行之有效的增推技术方案。

本文采用数值计算方法通过对使用化学恰当比的氢气-氧气混合气的脉冲爆震发动机安装收敛扩张型引射器进行的包括推力、冲量和质量流率等性能计算，分析了引射器喉部面积比对脉冲爆震发动机性能的影响，为脉冲爆震发动机增推设计中引射器的选择提供依据。

2 计算方法与物理模型

2.1 数学模型与计算方法

本文采用FLUENT软件进行数值模拟，其中燃烧模型选用通用有限速度模型。该模型基于组分质量分数输运方程的解，采用所定义的化学反应机制，对化学反应进行模拟；反应速率以源项的形式出现在组分输运方程中，湍流模型选用Spalart-Allmaras模型。该模型是针对航空领域设计的，主要用于求解壁面束缚流动，目前已经显示出很好的效果[5]。

脉冲爆震发动机起爆的数值模拟采用高能直接起爆来产生爆震，忽略DDT过程。由于高能诱导区的设置对计算的收敛有很大影响，过高的温度和压力会引起计算的发散，而温度过低则不能点燃可爆混合物。根据多次试验结果，取压力为2 MPa，温度为2000 K[6]。罗军等人对该算法的正确性进行了验证[7]。

2.2 计算域与网格划分

本文研究爆震发动机性能随引射器喉部面积改变的变化趋势[8]，引射器喉部与爆震管出口位置齐平。引射器喉部面积比是指引射器喉部面积与爆震管横截面积的比值。考虑3种情况：收扩型引射器喉部面积比分别为5、10、20。将引射器的入口和出口包含在1个较大的外流场区域中，用内推算法求得引射器入口和出口的边界条件。外流场的边界条件设为压力远场，马赫数为0.1。所有壁面都按照绝热、无滑移处理。爆震管加装引射器后的网格划分如图1所示（为了显示方便，未将外流场区域显示出来）。

3 计算结果与分析

爆震波在不同喉部面积比的收扩型引射器中传播的压力等值线如图2所示。

加装不同喉部面积比收扩型引射器的爆震发动机的推力和冲量变化曲线如图3～5所示。每幅推力图都给出了1个爆震循环过程中爆震管产生的推力、引射器壁面产生的推力和总推力；每幅冲量图也都给出了爆震管在1个爆震循环过程中产生的冲量、引射器壁面产生的冲量和总冲量。每一时刻的推力都通过对壁面上的瞬时压力积分求得；冲量可通过下式计算得到

式中：A为爆震管推力壁面积或引射器壁面面积。

装有不同喉部面积比的收扩型引射器爆震发动机的推力和冲量比较曲线如图6所示。从图中可见，当引射器喉部面积比变大即喉部扩大、爆震波排出爆震管后，其前导强激波到达引射器扩张壁面的时间会延迟，体现在图 6（a）中即面积比分别为 5、10、20。前导激波使得引射器提供的正推力峰值基本相同（约4900 N）。当t=4 ms时，从图6(b)中可见，面积比为5时冲量最大，但随着喉部面积比的增大，所获得的冲量却减小了（面积比分别为5、10、20时，冲量分别为0.76、0.20、0.06 N·s），其原因可以从引射器增推的原理上进行解释：引射器作为1种增推装置，其增推原理是对主流能量的再利用。当喉部面积增大时，引射器壁面离爆震管出口变远，爆震波传出爆震管后的前导激波到达引射器壁面的时间越长，前导激波的传播距离就越远，前导激波离引射器出口的距离也就越近，于是前导激波只需要传播较小的距离就可以达到引射器出口；而且由于引射器出口也随着喉部面积比的增大而变大，所以会有更多的主流排出引射器，意味着有更多的能量被带走。所以，随着喉部面积的增大，留给引射器的能量越少，引射器的增推作用也就越差。

从图 6（b）中可见，面积比为 5、10、20 时，冲量增推比分别为1.82、1.21、1.06，即随着喉部面积比的增大，引射器的冲量增推比大为减小，增推效果大大变差。

3种喉部面积比的主流和引射2次流的流量如图7所示。

根据图7，对1个计算循环（约4 ms）的引射2次流质量流率进行平均可得：喉部面积比为5、10、20时，2次流正向质量流率分别为0.56、0.92、1.49 kg/s。3种引射器喉部面积的引射2次流率与冲量增推比之间的关系见表1。

表1 3种喉部面积比下的质量流率与冲量增推比

从表1中可见，随着引射器喉部面积比的增大，引射2次流率增大，而冲量增推比则减小，引射2次流率与增推比成反比。引射2次流率的增大是由于引射器喉部面积增大使得引射器入口面积增大所致；而冲量增推比减小主要是由于引射器喉部面积比增大后使主流流出引射器的能量增多，留给引射器利用的能量变少的缘故。所以引射器喉部面积比增大后，虽然使流率增大有利于增推，但是能量的损失却不利于增推，二者综合之下能量损失占优势，从而使得增推比减小。