CN110516310A - 旋转爆震反压的非定常数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种旋转爆震反压的非定常数值模拟方法，根据旋转爆震波在燃烧室内高速旋转的特点，用高速旋转的斜劈产生沿圆周方向高频旋转的斜激波。由于斜激波的增压特性，在燃烧室中形成类似于旋转爆震波的高速旋转的压力脉动，从而实现对旋转爆震反压的模拟，避免了非定常旋转爆震燃烧过程的计算，大幅缩减了计算量；而且由于反压环境是利用斜劈产生的，爆震波波头数目以及爆震波强度等参数也可通过斜劈人为控制，便于相关研究的开展。该数值模拟方法也为旋转爆震冲压发动机隔离段的试验研究提供了思路。

Description

旋转爆震反压的非定常数值模拟方法

技术领域

本发明涉及旋转爆震发动机技术领域，特别是一种旋转爆震反压的非定常数值模拟方法。

背景技术

在旋转爆震发动机中，旋转爆震波在燃烧室中高速传播，频率达数千赫兹、峰值可达数兆帕，且燃烧室压力沿圆周方向存在显著的差异，形成高频周期性脉动压力。这种复杂恶劣的燃烧反压环境一方面会影响来流，严重情况下会引起进气道壅塞、造成不起动；另一方面也可能会对燃料和氧化剂的喷注、混合过程产生不良影响，致使旋转爆震波不能持续稳定传播。因此，研究旋转爆震反压与来流、燃料喷注混合的相互作用，对于旋转爆震发动机，尤其是旋转爆震冲压发动机的高效、稳定工作有着重要意义。

研究旋转爆震反压与来流相互作用离不开对燃烧室爆震燃烧过程以及隔离段流动过程的耦合计算。由于燃烧过程的时间尺度和流动过程的时间尺度差异过大，使得这一耦合过程的计算量变得非常大。此外，旋转爆震发动机的工作过程是典型的非定常燃烧过程，属于高速化学反应流，旋转爆震波从起爆到稳定传播往往又需要一定的稳定时间，更是大大加剧了计算量。

目前旋转爆震反压模拟的另一个弊端是对于旋转爆震波特性参数的可控性不足。旋转爆震波的传播模态、爆震波波头数量、爆震波强度以及爆震波传播速度等变量受燃料混合、工况、构型等众多因素影响，难以精确控制，这对参数化研究爆震波造成了不便，不利于研究工作的开展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种旋转爆震反压的非定常数值模拟方法。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种旋转爆震反压的非定常数值模拟方法，包括如下步骤：

(1)构建旋转爆震燃烧室物理模型

旋转爆震燃烧室物理模型包括内壁面、外壁面和斜劈，内、外壁面为轴对称结构且同轴设置，内壁面外侧和外壁面内侧之间的环形区域为旋转爆震燃烧室的内流道；斜劈为内流道中的活动部件，其紧贴内壁面外侧或/和外壁面内侧作旋转运动；

(2)边界条件

旋转爆震燃烧室物理模型对应的计算域由两部分组成：静止区域A和旋转区域B，在非定常计算过程中，区域A保持静止，区域B绕中心轴高速旋转，用于产生模拟旋转爆震波造成的压力扰动，区域A的边界条件由入口边界inlet、出口边界outlet、壁面wall和交界面interface组成，区域B的边界条件由壁面wall和交界面interface组成，区域A和区域B之间相互产生相对旋转运动，其数据交换由交界面interface边界条件来完成；

(3)旋转反压的实现过程

空气或工质由入口进入隔离段，连续旋转的斜劈与轴向流动的气流产生相对运动，产生连续旋转的斜激波，从而模拟连续旋转爆震发动机内爆震波传播现象；旋转斜劈对来流进行增压增温，并带动其周围空气高速旋转，最后从出口喷出。

作为优选方式，斜劈的布置方式包括以下几种：一、内壁面或外壁面布置单斜劈，单向旋转，模拟单个旋转爆震波；二、内壁面或外壁面等间距布置两个或多个斜劈，同向等速旋转，模拟旋转爆震的同向双波/多波模态；三、内壁面和外壁面分别布置单斜劈，对向旋转，模拟旋转爆震的双波对撞模态。

作为优选方式，步骤1)中斜劈的旋转角速度根据以下公式计算：

其中，V_CJ为旋转爆震波的周向传播速度，即斜劈的旋转速度；r为燃烧室内壁面半径；h为斜劈高度，上式计算得到的角速度的单位为rad/s。

作为优选方式，步骤1)中斜劈的关键几何尺寸包括斜劈角δ、斜劈高度h的设计方法如下：

斜劈角的取值不超过40°；

斜劈高度h不超过燃烧室宽度的一半，即其中w为内流道宽度，R为外壁半径，r为内壁半径。

作为优选方式，步骤3)中旋转反压的关键参数的调控方法如下：

旋转爆震反压主要的参数包括反压的大小、旋转频率以及爆震波头个数。在一定来流工况下，斜劈角越大，模拟的爆震反压也越大，斜劈角极限值为45.37°；斜劈的转速越高，旋转反压频率也越高；通过改变斜劈数量来实现波头个数的调控，每个斜劈产生一道斜激波，对应一个爆震波。

本发明的原理如下：

利用斜劈产生爆震反压的原理是利用斜劈产生的斜激波对气流进行压缩增压。由斜激波关系式可知，气流转折角越大，斜激波前后压比也越大，在相同来流工况下的波后压力也越高，得到的旋转爆震反压也就越强。因此，在一定来流工况下，斜劈角越大，模拟的爆震反压也越大。

旋转反压频率的调节则比较直观，通过改变斜劈的旋转速度则能实现旋转反压频率的调整，斜劈的转速越高，旋转反压频率也越高。

爆震波头的个数则通过斜劈的数量来反映，每个斜劈产生一道斜激波，对应一个爆震波，因此改变斜劈数量能够实现波头个数的调控。

下面结合图8对斜劈附近的气体流动状态进行说明。斜劈绕内壁面高速旋转，其相对于气流在圆周方向存在相对速度V_CJ，其为超声速，假设斜劈前方周向位置的气流的当地声速为c，则斜劈前气流的相对来流马赫数，也即斜劈的旋转马赫数Ma₁表示为：

Ma₁＝V_CJ/c

超声速气流通过斜激波时，气流方向会发生转折，转折角指气流流动方向的偏转角，斜劈角则为斜劈的几何角度，气流转折角与斜劈角δ保持一致，这里也用δ进行表示，其与激波角β的关系表示为：

式中，k表示比热比。从上式可以看出，气流转折角δ与来流马赫数Ma₁和激波角β有关，在一定来流马赫数Ma₁条件下，气流转折角δ有一个最大值δ_max，称为该Ma₁值下的最大转折角。

斜劈相对于超声速气流旋转时会在斜劈表面产生附体的斜激波，气流的转折角就是斜劈角，这个角度必小于该来流马赫数下的最大转折角；当斜劈角超过最大转折角时，斜激波脱体形成脱体激波，这是在设计斜劈角度时应该避免的。因此，斜劈角的设计准则应为保证激波不脱体得到的最大转折角。计算表明，当k＝1.4时，在Ma₁＝∞时，δ_max的极限值为45.37°，实际设计中斜劈角的取值一般不超过40°。

考虑到内、外壁面可能同时布置斜劈，因此斜劈的高度h不能超过燃烧室宽度的一半，即

本发明的有益效果为：本发明提出了一种旋转爆震反压的非定常数值模拟方法，根据旋转爆震波在燃烧室内高速旋转的特点，用高速旋转的斜劈产生沿圆周方向高频旋转的斜激波。由于斜激波的增压特性，在燃烧室中形成类似于旋转爆震波的高速旋转的压力脉动，从而实现对旋转爆震反压的模拟，避免了非定常旋转爆震燃烧过程的计算，大幅缩减了计算量。而且由于反压环境是利用斜劈产生的，爆震波波头数目以及爆震波强度等参数也可通过斜劈人为控制，便于相关研究的开展。该数值模拟方法也为旋转爆震冲压发动机隔离段的试验研究提供了思路。

附图说明

图1是本发明旋转爆震燃烧室物理模型三维示意图；

图2是本发明旋转爆震反压数值模拟方法计算域示意图；

图3是本发明内壁面布置单斜劈示意图；

图4是本发明外壁面布置单斜劈示意图；

图5是本发明内壁面布置双斜劈示意图；

图6是本发明内外壁面分别布置单斜劈示意图；

图7是本发明旋转爆震发动机几何尺寸示意图；

图8是本发明斜劈附近气体流动示意图；

图9是本发明燃烧室压力结果图；

图10是本发明压力云图与波系示意图。

1为内壁面，2为外壁面，3为斜劈，4为燃烧室，5为扩张段，6为隔离段，7为斜激波，8为反射激波。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

下面结合图1详细描述本发明。

高速空气来流由入口进入燃烧室，当超声速气流流经旋转斜劈时形成斜激波，由于激波压缩导致波后压力上升，因此在斜劈附近形成了一个高压区域；斜劈连续旋转，带动高压区域连续旋转，形成与斜劈同频的高压扰动源，这与旋转爆震波旋转传播带给上游的压力扰动情况类似，如此就实现了旋转爆震反压的人为构造。由于该问题属于纯流动问题，因此可以将非稳态计算的时间步长增加，大大提高计算效率。计算过程中，斜劈的位置变化通常采用动网格技术来实现。

计算中，改变斜劈旋转的速度可以实现爆震波旋转速度的调整模拟，改变斜劈角度可以实现对旋转斜激波强度的调控，进而实现爆震波压力高低的调整；改变斜劈的个数可以实现爆震波波头数目的调整。另外，还可以改变隔离段和燃烧室的径向尺寸、来流温度、压力、马赫数等，从而实现对不同流道构型、工作状态下的旋转爆震发动机下的流场模拟。

实施例1

一种旋转爆震反压的非定常数值模拟方法，包括如下步骤：

(1)构建旋转爆震燃烧室物理模型

旋转爆震燃烧室物理模型包括内壁面、外壁面和斜劈，如图1所示。内、外壁面为轴对称结构且同轴设置，内壁面外侧和外壁面内侧之间的环形区域为旋转爆震燃烧室的内流道；斜劈为内流道中的活动部件，其紧贴内壁面外侧或/和外壁面内侧作旋转运动。其中，燃烧室内外径分别为100mm、80mm，燃烧室宽度为10mm。

斜劈的布置方式包括以下几种：一、内壁面或外壁面布置单斜劈，单向旋转，模拟单个旋转爆震波；二、内壁面或外壁面等间距布置两个或多个斜劈，同向等速旋转，模拟旋转爆震的同向双波/多波模态；三、内壁面和外壁面分别布置单斜劈，对向旋转，模拟旋转爆震的双波对撞模态。本实施例中斜劈的布置方式为方式一：内壁面布置单斜劈，单向旋转，模拟单个旋转爆震波。

步骤1)中斜劈转速设计方法如下：

高速旋转的斜劈产生斜激波，从而模拟高速旋转的旋转爆震波，因此斜劈的旋转速度与旋转爆震波传播速度的周向分量保持一致。假设旋转爆震波的传播速度为V_CJ，忽略来流轴向速度分量，则斜劈的周向传播速度同样为V_CJ，燃烧室内壁面半径为r，斜劈高度为h，则斜劈的旋转角速度根据以下公式计算：

计算得到的角速度的单位为rad/s。

步骤1)中斜劈的设计方法如下：

斜劈角的取值不超过40°；

斜劈高度h不超过燃烧室宽度的一半，即其中w为内流道宽度，R为外壁半径，r为内壁半径。

(2)边界条件

旋转爆震燃烧室物理模型对应的计算域由两部分组成：静止区域A和旋转区域B，如图2所示。在非定常计算过程中，区域A保持静止，区域B绕中心轴高速旋转，用于产生模拟旋转爆震波造成的压力扰动，区域A的边界条件由入口边界inlet、出口边界outlet、壁面wall和交界面interface组成，区域B的边界条件由壁面wall和交界面interface组成，区域A和区域B之间相互产生相对旋转运动，其数据交换由交界面interface边界条件来完成；其中，隔离段入口马赫数为2.0，来流总温、总压分别为860K、0.86MPa。

(3)旋转反压的实现过程

空气或工质由入口进入隔离段，连续旋转的斜劈与轴向流动的气流产生相对运动，产生连续旋转的斜激波，从而模拟连续旋转爆震发动机内爆震波传播现象；旋转斜劈对来流进行增压增温，并带动其周围空气高速旋转，最后从出口喷出。

步骤3)中旋转反压的关键参数的调控方法如下：

旋转爆震反压主要的参数包括反压的大小、旋转频率以及爆震波头个数，在一定来流工况下，斜劈角越大，模拟的爆震反压也越大，斜劈角极限值为45.37°，斜劈的转速越高，旋转反压频率也越高，通过改变斜劈数量来实现波头个数的调控，每个斜劈产生一道斜激波，对应一个爆震波。

本发明的原理如下：

利用斜劈产生爆震反压的原理是利用斜劈产生的斜激波对气流进行压缩增压。由斜激波关系式可知，气流转折角越大，斜激波前后压比也越大，在相同来流工况下的波后压力也越高，其反应的旋转爆震反压也就越强。因此，在一定来流工况下，斜劈角越大，模拟的爆震反压也越大。

旋转反压频率的调节则比较直观，通过改变斜劈的旋转速度则能实现旋转反压频率的调整，斜劈的转速越高，旋转反压频率也越高。

爆震波头的个数则通过斜劈的数量来反映，每个斜劈产生一道斜激波，对应一个爆震波，因此改变斜劈数量能够实现波头个数的调控。

下面结合图8对斜劈附近的气体流动状态进行说明。斜劈绕内壁面高速旋转，其相对于气流在圆周方向存在相对速度V_CJ，其为超声速，假设斜劈前方周向位置的气流的当地声速为c，则斜劈前气流的相对来流马赫数，也即斜劈的旋转马赫数Ma₁表示为：

Ma₁＝V_CJ/c

超声速气流通过斜激波时，气流方向会发生转折，转折角指气流流动方向的偏转角，斜劈角则为斜劈的几何角度，气流转折角与斜劈角δ保持一致，这里也用δ进行表示，其与激波角β的关系表示为：

式中，k表示比热比。从上式可以看出，气流转折角δ与来流马赫数Ma₁和激波角β有关，在一定来流马赫数Ma₁条件下，气流转折角δ有一个最大值δ_max，称为该Ma₁值下的最大转折角。

斜劈的关键几何尺寸包括斜劈角δ和斜劈高度h。

斜劈相对于超声速气流旋转时会在斜劈表面产生附体的斜激波，气流的转折角就是斜劈角，这个角度必小于该来流马赫数下的最大转折角；当斜劈角超过最大转折角时，斜激波脱体形成脱体激波，这是在设计斜劈角度时应该避免的。因此，斜劈角的设计准则应为保证激波不脱体得到的最大转折角。计算表明，当k＝1.4时，在Ma₁＝∞时，δ_max的极限值为45.37°，实际设计中斜劈角的取值一般不超过40°。本实施例中选取的斜劈角为20°。

考虑到内、外壁面可能同时布置斜劈，因此斜劈的高度h不能超过燃烧室宽度的一半，即

考虑到内、外壁面可能同时布置斜劈，因此斜劈的高度h不能超过燃烧室宽度的一半，即本实施例中斜劈的高度为3mm。

旋转反压频率的调节则比较直观，通过改变斜劈的旋转速度则能实现旋转反压频率的调整，斜劈的转速越高，旋转反压频率也越高。本实施例中斜劈的旋转频率为5kHz，对应的旋转角速度为10⁴πrad/s。

爆震波头的个数则通过斜劈的数量来反映，每个斜劈产生一道斜激波，对应一个爆震波，因此改变斜劈数量能够实现波头个数的调控。本实施例中斜劈的数量为1，对应的爆震波头数目也为1。

本实施例旋转爆震反压模拟结果：

计算过程中的燃烧室压力结果如图9所示，从图中可以看出，燃烧室中产生了周期性压力扰动，其主频为5kHz，与斜劈旋转的频率一致。斜激波压比约为5.8倍。非定常计算过程中，燃烧室压力有一定的波动，但随后保持基本稳定，达到了准稳定状态。

图10为燃烧室斜劈所在平面的压力分布，斜劈沿逆时针方向旋转，气流与斜劈产生相对运动，并在斜劈表面产生斜激波，受斜劈高度的限制，斜激波在靠近外壁处产生了弯曲，并在外壁面上形成了激波反射，这与旋转爆震的流场特性一致。

因此，利用高速旋转的斜劈能在燃烧室中形成沿圆周方向旋转的高频压力振荡，其频率可控且与旋转爆震波的传播频率相对应。通过斜劈产生的燃烧室压力波形与旋转爆震波类似，压比与实际的爆震波压比较为接近，且产生了类似于旋转爆震燃烧流场中的激波波面弯曲和激波反射现象。

本发明通过对非定常流动问题的比拟，利用旋转斜劈实现了对旋转爆震发动机流场结构的模拟，得到了与带燃烧过程的旋转爆震发动机类似的流场结构与压力震荡特性，同时又大大缩减了计算量，实施例结果验证了本发明提出的数值模拟方法简单有效，能够准确模拟旋转爆震波引起的非定常流动问题。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种旋转爆震反压的非定常数值模拟方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)构建旋转爆震燃烧室物理模型

旋转爆震燃烧室物理模型包括内壁面、外壁面和斜劈，内、外壁面为轴对称结构且同轴设置，内壁面外侧和外壁面内侧之间的环形区域为旋转爆震燃烧室的内流道；斜劈为内流道中的活动部件，其紧贴内壁面外侧或/和外壁面内侧作旋转运动；

(2)边界条件

旋转爆震燃烧室物理模型对应的计算域由两部分组成：静止区域A和旋转区域B，在非定常计算过程中，区域A保持静止，区域B绕中心轴高速旋转，用于产生模拟旋转爆震波造成的压力扰动，区域A的边界条件由入口边界inlet、出口边界outlet、壁面wall和交界面interface组成，区域B的边界条件由壁面wall和交界面interface组成，区域A和区域B之间相互产生相对旋转运动，其数据交换由交界面interface边界条件来完成；

(3)旋转反压的实现过程

空气或其他工质由入口进入隔离段，连续旋转的斜劈与轴向流动的气流产生相对运动，产生连续旋转的斜激波，从而模拟连续旋转爆震发动机内爆震波传播现象；旋转斜劈对来流进行增压增温，并带动其周围空气高速旋转，最后从出口喷出。

2.根据权利要求1所述的旋转爆震反压的非定常数值模拟方法，其特征在于：斜劈的布置方式包括以下几种：一、内壁面或外壁面布置单斜劈，单向旋转，模拟单个旋转爆震波；二、内壁面或外壁面等间距布置两个或多个斜劈，同向等速旋转，模拟旋转爆震的同向双波/多波模态；三、内壁面和外壁面分别布置单斜劈，对向旋转，模拟旋转爆震的双波对撞模态。

3.根据权利要求1所述的旋转爆震反压的非定常数值模拟方法，其特征在于：步骤1)中斜劈的旋转角速度根据以下公式计算：

其中，V_CJ为旋转爆震波的周向传播速度，即斜劈的旋转速度；r为燃烧室内壁面半径；h为斜劈高度，上式计算得到的角速度的单位为rad/s。

4.根据权利要求1所述的旋转爆震反压的非定常数值模拟方法，其特征在于：步骤1)中斜劈的关键几何尺寸包括斜劈角δ、斜劈高度h的设计方法如下：

斜劈角的取值不超过40°；

斜劈高度h不超过燃烧室宽度的一半，即其中w为内流道宽度，R为外壁半径，r为内壁半径。

5.根据权利要求1所述的旋转爆震反压的非定常数值模拟方法，其特征在于：步骤3)中旋转反压的关键参数的调控方法如下：

旋转爆震反压主要的参数包括反压的大小、旋转频率以及爆震波头个数。在一定来流工况下，斜劈角越大，模拟的爆震反压也越大，斜劈角极限值为45.37°；斜劈的转速越高，旋转反压频率也越；通过改变斜劈数量来实现波头个数的调控，每个斜劈产生一道斜激波，对应一个爆震波。