自吸式旋转爆轰燃烧室的数值研究

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旋转爆轰发动机(RDE)具有结构简单、没有旋转部件、能量转化率高等一系列的优点,近年来在世界范围内受到了广泛的关注。目前有关旋转爆轰发动机的研究工作多集中在空天推进器方面,而理论上旋转爆轰发动机也可与透平机械相结合应用于地面或船用动力,本文重点研究的是能应用于地面或舰船上的自吸式旋转爆轰发动机的燃烧室。本文基于FLUENT软件,根据不同的进口流态自适应地调整进口流量,其中入口边界条件由UDF实现,采用单步反应模型,求解反应流欧拉方程,对燃用氢气/空气预混气的旋转爆轰燃烧室进行数值模拟。通过对二维简化模型的数值计算,详细地分析了燃烧室内的流场特性及爆轰波结构,同时研究了燃烧室直径对起爆过程及爆轰燃烧室工作性能的影响。然后针对不同的过量空气系数n,分别研究了富燃和贫燃工况下爆轰燃烧室的起爆过程、流场结构与工作性能。最后对旋转爆轰燃烧室的三维流场进行数值模拟,分析了燃烧室各轴向截面以及径向截面的流场特征,讨论了内外壁面的敛散性对燃烧室流场的影响。结果表明,旋转爆轰燃烧室存在能够成功起爆的临界直径,直径小于这一临界值时将不能成功起爆;在轴向长度相同时,燃烧室的直径越大爆轰波的传播速度越快、单位时间内燃烧的可燃气质量越大、增压作用也越明显;在本文的计算范围内,当n=0.2和n=5.0时,分别发生了富燃和贫燃熄火,在化学恰当比的条件下,爆轰燃烧的强度最大,爆轰波的压力和温度最高,同时燃烧室的增压比也最大,而爆轰波传播速度的最大值出现在n<1时,n值越大质量流量越大;在三维模型中,外壁面对爆轰波起到加强的作用,使外壁面上爆轰波处气体的压力、温度以及爆轰波的传播线速度的值都大于内壁面和中间截面。总体而言,本文的研究结果证明了旋转爆轰用于地面或船用发动机的可行性。并讨论了燃烧室直径和过量空气系数对燃烧室性能的影响,分析了三维燃烧室的流场特性。本文得出的结论为后续爆轰燃烧室的设计提供了一定的理论依据。
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