[发明专利]一种旋转爆轰发动机数值模拟点火起爆方法

说明书

本发明公开了一种旋转爆轰发动机数值模拟点火起爆方法，属于燃烧空气动力模拟仿真技术领域。首先进行第一次仿真计算，获得预混气体开始进入旋转爆轰发动机环形燃烧室时的爆轰流场，从中截取包含爆轰波波头和波后预混气体开始进入流场的计算域。之后将截取的计算域作为模拟点火区进行第二次仿真计算，即可获得单向、连续旋转传播的爆轰波。本发明方法与现有方法对比，能够实现环形燃烧室平均直径较小的旋转爆轰发动机的数值模拟点火起爆仿真，获得单向传播的爆轰波，具有更加广泛的适用性，不仅能够对环形燃烧室平均直径较小的旋转爆轰发动机模型进行点火，同样也能够适用于环形燃烧室平均直径较大的旋转爆轰发动机。

技术领域

本发明涉及一种爆轰发动机仿真点火起爆方法，属于燃烧空气动力模拟仿真技术领域。

背景技术

发动机是高超声速飞行器的心脏。目前，国内外被广泛研究的爆轰发动机主要有三种：斜爆轰发动机、脉冲爆轰发动机和旋转爆轰发动机。其中，旋转爆轰发动机(RotatingDetonation Engine，RDE)是一种基于爆轰燃烧方式的新概念发动机，通过一定手段将燃料压缩并点燃，再通过类似于爆炸那样爆轰波在燃烧室头部沿圆周方向旋转传播，燃烧后的高温高压产物经膨胀几乎沿圆轴方向从另一端高速迅速喷出，从而产生推力。RDE具有一次点火起爆、流量连续、燃烧速度快、热效率高、结构紧凑、工作模式简单等特点，相对于传统的航空发动机具有结构简单、比冲大、成本低等优点，有望带来航空航天推进技术的跨越式发展，近年来受到世界各主要国家的高度关注。

RDE的爆轰方式分为非预混爆轰和预混爆轰，数值模拟大多使用预混爆轰模型。旋转爆轰波一般依靠与燃烧室切向连接的预爆轰管起爆。在涉及燃烧、爆炸爆轰的数值模拟研究中，对可燃预混气体的点火，通常是采用设置一段高温高压区作为初始点火条件的方法。对类似于管道爆轰这样的问题而言，采用上述方式便能成功点燃预混气体，燃烧波经过不断加速，最终发展为爆轰波。然而，对于旋转爆轰发动机而言，由于爆轰波连续地旋转传播，在数值模拟过程中若设置一段高温高压区点火，因点火区两端充满预混气体，会产生两道反向传播的爆轰波，在传播过程中两道爆轰波不断相遇、碰撞，使得能量不断衰减，导致爆轰波衰减为爆燃波，最终熄灭。

在RDE数值模拟过程中，为获得单向传播的爆轰波，目前有三种方式：第一种，在点火区一端填充一段惰性气体，无法点燃，而另一端为预混气体，能够被点火区点燃，因此能够获得单向传播的爆轰波；第二种，将沿圆周方向的边界条件设置为固壁条件，紧贴此边界设置一段高温高压区点火，其余区域填充预混气体，形成单向传播的爆轰波，等到爆轰波形成并传播一定距离之后，再将周向固壁条件设置为周期边界，爆轰波成功连续传播；第三种，将一维管道爆轰结果截取一段，并拓展为三维结果作为点火区参数，由于此区域存在压力和温度梯度，一端的能量足够点燃预混气体，另一端的能量不足以点燃预混气体，从而形成单向传播的爆轰波。

然而，上述三种方法均具有局限性，对于直径较小的旋转爆轰发动机模型进行数值模拟仿真时，无法获得单向传播的爆轰波。现有点火方式在点火时，点火区温度和压力较高，当旋转爆轰发动机环形燃烧室平均直径较小时，爆轰波传播一周的时间较短，点火区的温度和压力扩散不充分，依然较高，新鲜预混气无法进入燃烧室，导致当爆轰波再次进入流场时，没有充足的新鲜预混气体可供燃烧，因此爆轰波熄灭，旋转爆轰发动机运转失败。此外，在传统点火方式中，预混气体的组成成分(燃料和氧化剂种类)也会影响旋转爆轰发动机点火的成功率。

发明内容

本发明的目的是为了解决在数值模拟仿真过程中，针对环形燃烧室平均直径较小(平均直径通常不超过55mm)的旋转爆轰发动机无法获得单向传播的爆轰波问题，提出了一种适用性强、成功率高的旋转爆轰发动机数值模拟点火起爆方法。

一种旋转爆轰发动机数值模拟点火起爆方法，技术方案如下：