引射器喉部面積比對(duì)脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

何立明，曾 昊，羅 俊，張建邦

（空軍工程大學(xué)工程學(xué)院，西安 710038）

1 引言

引射器是1種增推裝置，用主流來(lái)引射2次流使得質(zhì)量流量得以顯著增大，從而產(chǎn)生比單一主流更大的推力[1]。研究表明，穩(wěn)態(tài)引射器性能的提高主要依靠黏性剪切層的混合實(shí)現(xiàn)主、次流間的能量傳遞，而非穩(wěn)態(tài)引射器主、次流間的能量傳輸，部分依靠更有效的本質(zhì)無(wú)黏的流動(dòng)夾帶機(jī)制完成[2-4]。脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)是1種典型的非穩(wěn)態(tài)動(dòng)力裝置，為了提高其性能，加裝引射器不失為1種行之有效的增推技術(shù)方案。

本文采用數(shù)值計(jì)算方法通過(guò)對(duì)使用化學(xué)恰當(dāng)比的氫氣-氧氣混合氣的脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)安裝收斂擴(kuò)張型引射器進(jìn)行的包括推力、沖量和質(zhì)量流率等性能計(jì)算，分析了引射器喉部面積比對(duì)脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，為脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)增推設(shè)計(jì)中引射器的選擇提供依據(jù)。

2 計(jì)算方法與物理模型

2.1 數(shù)學(xué)模型與計(jì)算方法

本文采用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，其中燃燒模型選用通用有限速度模型。該模型基于組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)輸運(yùn)方程的解，采用所定義的化學(xué)反應(yīng)機(jī)制，對(duì)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行模擬；反應(yīng)速率以源項(xiàng)的形式出現(xiàn)在組分輸運(yùn)方程中，湍流模型選用Spalart-Allmaras模型。該模型是針對(duì)航空領(lǐng)域設(shè)計(jì)的，主要用于求解壁面束縛流動(dòng)，目前已經(jīng)顯示出很好的效果[5]。

脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)起爆的數(shù)值模擬采用高能直接起爆來(lái)產(chǎn)生爆震，忽略DDT過(guò)程。由于高能誘導(dǎo)區(qū)的設(shè)置對(duì)計(jì)算的收斂有很大影響，過(guò)高的溫度和壓力會(huì)引起計(jì)算的發(fā)散，而溫度過(guò)低則不能點(diǎn)燃可爆混合物。根據(jù)多次試驗(yàn)結(jié)果，取壓力為2 MPa，溫度為2000 K[6]。羅軍等人對(duì)該算法的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證[7]。

2.2 計(jì)算域與網(wǎng)格劃分

本文研究爆震發(fā)動(dòng)機(jī)性能隨引射器喉部面積改變的變化趨勢(shì)[8]，引射器喉部與爆震管出口位置齊平。引射器喉部面積比是指引射器喉部面積與爆震管橫截面積的比值?？紤]3種情況：收擴(kuò)型引射器喉部面積比分別為5、10、20。將引射器的入口和出口包含在1個(gè)較大的外流場(chǎng)區(qū)域中，用內(nèi)推算法求得引射器入口和出口的邊界條件。外流場(chǎng)的邊界條件設(shè)為壓力遠(yuǎn)場(chǎng)，馬赫數(shù)為0.1。所有壁面都按照絕熱、無(wú)滑移處理。爆震管加裝引射器后的網(wǎng)格劃分如圖1所示（為了顯示方便，未將外流場(chǎng)區(qū)域顯示出來(lái)）。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

爆震波在不同喉部面積比的收擴(kuò)型引射器中傳播的壓力等值線如圖2所示。

加裝不同喉部面積比收擴(kuò)型引射器的爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和沖量變化曲線如圖3～5所示。每幅推力圖都給出了1個(gè)爆震循環(huán)過(guò)程中爆震管產(chǎn)生的推力、引射器壁面產(chǎn)生的推力和總推力；每幅沖量圖也都給出了爆震管在1個(gè)爆震循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生的沖量、引射器壁面產(chǎn)生的沖量和總沖量。每一時(shí)刻的推力都通過(guò)對(duì)壁面上的瞬時(shí)壓力積分求得；沖量可通過(guò)下式計(jì)算得到

式中：A為爆震管推力壁面積或引射器壁面面積。

裝有不同喉部面積比的收擴(kuò)型引射器爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和沖量比較曲線如圖6所示。從圖中可見，當(dāng)引射器喉部面積比變大即喉部擴(kuò)大、爆震波排出爆震管后，其前導(dǎo)強(qiáng)激波到達(dá)引射器擴(kuò)張壁面的時(shí)間會(huì)延遲，體現(xiàn)在圖 6（a）中即面積比分別為 5、10、20。前導(dǎo)激波使得引射器提供的正推力峰值基本相同（約4900 N）。當(dāng)t=4 ms時(shí)，從圖6(b)中可見，面積比為5時(shí)沖量最大，但隨著喉部面積比的增大，所獲得的沖量卻減小了（面積比分別為5、10、20時(shí)，沖量分別為0.76、0.20、0.06 N·s），其原因可以從引射器增推的原理上進(jìn)行解釋：引射器作為1種增推裝置，其增推原理是對(duì)主流能量的再利用。當(dāng)喉部面積增大時(shí)，引射器壁面離爆震管出口變遠(yuǎn)，爆震波傳出爆震管后的前導(dǎo)激波到達(dá)引射器壁面的時(shí)間越長(zhǎng)，前導(dǎo)激波的傳播距離就越遠(yuǎn)，前導(dǎo)激波離引射器出口的距離也就越近，于是前導(dǎo)激波只需要傳播較小的距離就可以達(dá)到引射器出口；而且由于引射器出口也隨著喉部面積比的增大而變大，所以會(huì)有更多的主流排出引射器，意味著有更多的能量被帶走。所以，隨著喉部面積的增大，留給引射器的能量越少，引射器的增推作用也就越差。

從圖 6（b）中可見，面積比為 5、10、20 時(shí)，沖量增推比分別為1.82、1.21、1.06，即隨著喉部面積比的增大，引射器的沖量增推比大為減小，增推效果大大變差。

3種喉部面積比的主流和引射2次流的流量如圖7所示。

根據(jù)圖7，對(duì)1個(gè)計(jì)算循環(huán)（約4 ms）的引射2次流質(zhì)量流率進(jìn)行平均可得：喉部面積比為5、10、20時(shí)，2次流正向質(zhì)量流率分別為0.56、0.92、1.49 kg/s。3種引射器喉部面積的引射2次流率與沖量增推比之間的關(guān)系見表1。

表1 3種喉部面積比下的質(zhì)量流率與沖量增推比

從表1中可見，隨著引射器喉部面積比的增大，引射2次流率增大，而沖量增推比則減小，引射2次流率與增推比成反比。引射2次流率的增大是由于引射器喉部面積增大使得引射器入口面積增大所致；而沖量增推比減小主要是由于引射器喉部面積比增大后使主流流出引射器的能量增多，留給引射器利用的能量變少的緣故。所以引射器喉部面積比增大后，雖然使流率增大有利于增推，但是能量的損失卻不利于增推，二者綜合之下能量損失占優(yōu)勢(shì)，從而使得增推比減小。

4 結(jié)論

通過(guò)以上數(shù)值計(jì)算和分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）對(duì)加裝不同喉部面積比收擴(kuò)型引射器的爆震發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行模擬計(jì)算可知，面積比越小時(shí)，沖量增推比越大。

（2）2次流率增大主要是由于喉部面積比增大使得引射器入口面積增大所引起；同時(shí)，喉部面積比增大后，由于并未相應(yīng)增加引射器長(zhǎng)度，所以會(huì)有更多的主流直接從引射器出口排出，并未進(jìn)行2次作功，使得增推比減小。

（3）喉部面積比增大后，雖然引流率增大有利于增推，但能量的損失卻不利于增推，二者綜合后使增推比減小。

[1]嚴(yán)傳俊，范瑋.脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)原理及關(guān)鍵技術(shù)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2005.

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[5]韓占忠，王敬，蘭小平.FLUENT流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2005.

[6]曾昊.脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)兩步起爆數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)[D].西安：空軍工程大學(xué)工程學(xué)院，2008.

[7]羅俊，何立明.二維爆震波數(shù)值模擬[J].推進(jìn)技術(shù),2008,29（1）:29-32.

[8]羅俊.脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究[D].西安：空軍工程大學(xué)工程學(xué)院，2008.