可变流量固冲发动机一体化流场研究*

2013-12-10董新刚霍东兴

弹箭与制导学报 2013年2期

牛楠，董新刚，霍东兴，李璞

(中国航天科技集团公司第四研究院第41所，西安 710025)

0 引言

固冲发动机具有比冲高、结构紧凑、可靠性高、机动性好等优点[1]，是新一代超声速战术导弹的理想动力装置。固冲发动机补燃室和进气道具有强烈的耦合作用，燃气流量的调节使补燃室内压力出现大范围的变化，直接对进气道的性能和工作状态产生强烈影响，而进气道工作状态的改变又会影响进入补燃室的空气参数。同时，作为吸气式发动机，绕弹身外流场对固冲发动机进气道来流品质的影响也不容忽视。目前，国内外对固冲发动机补燃室[2-4]、进气道[5－6]以及弹身/进气道一体化等方向分别开展了大量的研究，但对固冲发动机进气道/补燃室一体化流场的研究尚不多见。

文中建立固冲发动机进气道/补燃室一体化流场三维数值计算模型，并结合地面直连试验分析空燃比对固冲发动机性能和流场结构的影响，为可变流量固冲发动机的研制工作提供技术支持。

1 计算模型和分析方法

1.1 计算模型

计算模型以某可变流量固冲发动机为研究对象，包含前弹身、进气道以及补燃室三部分。进气道为双下侧二元进气道，进气角度45°。计算网格为结构网格，采用了对称面网格生成技术，沿着弹体纵剖面做了一半网格，在流动参数变化较剧烈的区域，网格进行了局部加密，网格总数约170万。图1为计算网格示意图。

图1 计算网格示意图

湍流模型采用标准 k-ω模型，一阶迎风格式离散。考虑补燃室内湍流对两相流动的影响，对颗粒运动采用随机轨道模型控制凝相颗粒的运动，燃烧模型采用涡团耗散模型来模拟补燃室内气相的燃烧反应，用化学动力/扩散控制模型来模拟补燃室内凝相的燃烧反应。

1.2 流场简化

对复杂的固冲发动机一体化流场进行假设和简化:

1)流动准定常;

2)壁面为绝热的，整个流场与外界无热交换，流动为绝热流动;

3)不考虑重力等彻体力的影响;

4)通过分析某推进剂配方一次燃气热力计算结果，参与二次燃烧的凝相组分主要是B颗粒和C颗粒，气相组分主要是CO和H2，其他组分含量很少，忽略不计。

1.3 燃烧效率分析方法

补燃室某个截面上可燃气体的燃烧效率定义为:

式中:Yi为燃气中第i中可燃气体的质量分数;˙mi为燃气入口总流量。

补燃室某个截面上凝相颗粒的燃烧效率定义为:

补燃室某个截面上燃气的燃烧效率表示为燃气中所有可燃气体和颗粒的实际反应放热量和理想反应放热量之比，公式为:

式中:α为一次燃气中相应组分的质量含量，Q为一次燃气中相应组分的燃烧热。

2 结果分析

2.1 计算工况

导弹飞行高度10km，飞行马赫数 3.0，攻角 2°，侧滑角0°。飞行状态不变时，进气道捕获的空气流量不变，通过改变喷入补燃室的一次燃气的流量，进而改变空燃比，空燃比分别为 7、10、12、15、18。

2.2 数值模拟和地面直连试验对比

图2 固冲发动机推力曲线

首先针对该固冲发动机开展了在不同空燃比下的地面直连验证试验，地面直连试验发动机结构和数值模拟模型相同。图2为固冲发动机推力曲线，其中推力以最大值进行了无量纲化处理。从图中可见两者具有趋势上的一致性，吻合较好，误差在4%以内，表明文中所建一体化数值计算模型能够较合理的预示固冲发动机的推力性能。

2.3 固冲发动机性能分析

表1为不同空燃比时发动机性能参数，其中推力和比冲分别以最大值进行了无量纲化处理。结合图2可以看出随着空燃比减小推力呈增大趋势，且空燃比从10减小到7时，推力增加的幅度较大。随着燃气流量的增加，推力虽有大幅度的提升，但由于二次燃烧效率降低，比冲有所减小，因此当增大燃气流量提高推力时，会引起比冲下降，使得导弹射程减小。

表1 发动机性能参数计算结果

2.4 固冲发动机流场分析

图3给出了不同空燃比时燃气在补燃室内运动轨迹。补燃室突扩构型和大量空气冲击使一部分入射燃气在补燃室头部起旋，该漩涡运动增加了气相组分在该区域的燃烧时间，同时延长了组分中凝相颗粒的运动轨迹，有利于凝相颗粒加热。所以，适当增加燃气入口至进气道出口的容积，有利于一次燃气的掺混燃烧。燃气在进气道出口之后呈螺旋状流向喷管出口，该流动形态有助于燃气和空气进行掺混，从而提高燃烧效率。补燃室头部区域，大空燃比时产生的燃气回流量相对小空燃比时少;进气道出口后区域，大空燃比时燃气运动轨迹相对集中的分布在补燃室的中部，小空燃比时燃气运动轨迹较分散，流动状态呈大螺旋状，且大量燃气沿补燃室上部流动。

图3 不同空燃比时燃气在补燃室内运动轨迹

图4给出了不同空燃比下流场的温度分布云图。可以看出，由于燃烧非预混，补燃室内温度的分布极不均匀并且变化剧烈。补燃室头部突扩构型形成的回流起到了稳定火焰的作用，气相组分在该区域燃烧使温度升高;在进气道出口附近，来流空气强烈的冲击作用使该区域部分燃气沿补燃室壁面流动，高温区主要集中在上半部补燃室壁面附近;燃气与来流空气掺混后继续向下游流动，补燃室上部温度较低，在补燃室下部近壁面处形成局部高温区。空燃比减小使补燃室下部高温区面积增加，当空燃比等于7时，大量燃气沿补燃室中上部流动，在该区域形成了高温区。

图4 不同空燃比下流场的温度分布云图

图5(a)、图5(b)给出了不同空燃比时 CO和H2的燃烧效率沿补燃室轴线变化曲线，横坐标为无量纲化的补燃室长度，下同。由图中可以看出，这两种气体燃烧效率变化趋势相似。补燃室头部燃烧效率比较小，这是由于通过回流和扩散进入这一区域的氧气含量较小。当大量的空气射入与燃气充分掺混，两种气体和氧气剧烈反应，此时燃烧效率曲线的斜率最大，大空燃比情况下燃烧效率迅速达到100%，而小空燃比7情况下，两种气体的燃烧效率增加趋势相对大空燃比缓慢，但在补燃室尾部燃烧彻底。图5(c)、图5(d)为不同空燃比时硼和碳颗粒的燃烧效率沿补燃室轴线变化曲线，可以看出不同空燃比下硼和碳颗粒在补燃室内均未完全燃烧，空燃比的变化对燃烧效率具有一定的影响。碳颗粒的燃烧效率随空燃比的增加而增加，而硼颗粒的燃烧效率不是简单的随空燃比的增加而增加，在空燃比12时燃烧效率最高。

图5 不同空燃比时补燃室各组分燃烧效率沿轴向分布曲线

图6 不同空燃比下补燃室静压沿轴向分布曲线

图6给出了不同空燃比下补燃室横截面平均静压沿轴向分布曲线，可以看出不同空燃比条件下，静压沿补燃室变化趋势是一致的，压强沿轴线逐渐降低，在尾喷管处由于气流经过膨胀加速后喷出，压强变化较为剧烈。在补燃室同一轴向位置处，燃气流量增加即空燃比减小时补燃室内静压升高，当空燃比从10降到7时静压提高的幅度较大。对于固冲发动机而言，补燃室的压强和进气道的工作状态密切相关，因此通过提高补燃室内的压强追求发动机高性能时，首先要保证进气道在正常工作范围内。

图7给出了不同空燃比下进气道裕度曲线，空燃比减小进气道裕度减小，当 N=7时，进气道裕度约为20%，燃气流量仍有增加的空间。图8给出了不同空燃比下的进气道对称面马赫数分布云图，可以看到在 N=18时，由于燃气流量小，补燃室压力低，进气道的结尾激波位于进气道扩张段的中部。在N=7时，燃气流量大幅提高，补燃室内压力上升，从而影响到进气道的工作状态，进气道的结尾激波由扩张段中部前移到进气道喉道位置，如果燃气流量进一步加大，将会使进气道出现溢流甚至喘振。