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    高焓來流下固體燃料沖壓發(fā)動機自點火過程數(shù)值模擬

    2018-11-06 11:59:12游安華
    兵器裝備工程學(xué)報 2018年10期
    關(guān)鍵詞:燃速燃燒室加熱器

    游安華,孫 波,張 歡,洪 松

    (1.南京理工大學(xué) a.工程訓(xùn)練中心; b.機械工程學(xué)院, 南京 210094;2.中國兵器工業(yè)集團 航空彈藥研究院動力技術(shù)部, 哈爾濱 150030)

    近年來,固體燃料沖壓發(fā)動機(solid fuel ramjet,SFRJ)由于其比沖高,結(jié)構(gòu)簡單,燃燒穩(wěn)定性好,工作范圍寬,安全性高等特點在國內(nèi)外受到了廣泛的關(guān)注[1-2]。在小口徑防空動能彈領(lǐng)域,在給定射程下,使用固體燃料沖壓發(fā)動機能使飛行時間縮短,彈道平直,因而更容易瞄準(zhǔn)目標(biāo),同時也大幅度增加了終點動能,增加打擊力,是小口徑防空動能彈發(fā)展的一個新方向,具有較大的軍事應(yīng)用價值[3-5]。

    國防科技大學(xué)利用理論分析的方法創(chuàng)建了固體燃料沖壓發(fā)動機燃燒效率模型,對以PE為燃料的固體燃料沖壓發(fā)動機二維軸對稱準(zhǔn)定常燃燒室流場進行了數(shù)值模擬研究,得到了平均退移速率與空氣質(zhì)量流率、溫度及通道直徑之間的變化關(guān)系[6]。南京理工大學(xué)利用實驗室中的沖壓發(fā)動機直聯(lián)式實驗臺,完成了PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)為燃料的固體燃料沖壓發(fā)動機直聯(lián)式實驗,研究了PMMA在固體燃料沖壓發(fā)動機中的燃燒特性[7-8]。美國采用渦量流函數(shù)模型、二維軸對稱和三維有限差分法,對固體燃料沖壓發(fā)動機燃燒室流場進行了數(shù)值研究,分析了軸向進氣、側(cè)向進氣(旋流)和旁路進氣三種進氣方式下,不同尺寸的固體燃料沖壓發(fā)動機燃燒室流場[9-10]。

    國內(nèi)外研究人員對固體燃料沖壓發(fā)動機開展了大量研究,對航空發(fā)動機在靜止條件下點火和強迫點火的研究也較為充分,但對于高焓來流下的發(fā)動機自點火過程,還處于未知狀態(tài)。本研究基于地面直聯(lián)式實驗?zāi)P停帽菊n題組研發(fā)的數(shù)值模擬方法,對高焓來流下基于聚乙烯材料的固體燃料沖壓發(fā)動機自點火過程進行了非定常模擬,對自點火過程中燃燒室流場變化進行了詳細(xì)研究。

    1 數(shù)學(xué)與物理模型

    本研究采用二維軸對稱模型固體燃料沖壓發(fā)動機化學(xué)反應(yīng)流場,對于燃燒室內(nèi)非定?;瘜W(xué)反應(yīng)流場,采用雷諾平均方法求解包含組分運輸方程在內(nèi)的軸對稱N-S方程。湍流模型選用k-omega模型,湍流方程與時均N-S方程形式一致,與之耦合求解。本研究使用本課題組研發(fā)的CFD程序,其計算方法的詳細(xì)描述及驗證見文獻[11],這里不再贅述。

    1.1 聚乙烯燃燒分解模型

    在燃燒室中,固體燃料聚乙烯經(jīng)過高總焓來流空氣加熱會受熱分解,其分解產(chǎn)物和分解過程非常復(fù)雜,除了已知的單質(zhì)氣體C2H4氣體為主外,其余分解產(chǎn)物很難給出具體產(chǎn)物和含量。因此假設(shè)固體燃料聚乙烯的汽化分解產(chǎn)物均為單質(zhì)氣體C2H4。

    國內(nèi)外對固體燃料在SFRJ燃燒室內(nèi)的熱解特性做了大量研究,結(jié)果表明,燃面推移速率與固體燃料表面溫度之間的關(guān)系可用阿累尼烏斯公式表示,即

    式中,A、Ea、R0、Tw分別指前因子、活化能、氣體通用常數(shù)和燃料壁面溫度。通過實驗得到的計算模型參數(shù)為A=640 m/s,Ea=133.66 kJ/mol,R0=8.314 J/(mol·K)。

    C2H4與空氣之間的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型采用10組分12步基元反應(yīng)模型[12],組分包括:C2H4,O2,CO,CO2,H2,H2O,H,OH,O,N2。

    1.2 物理模型

    本研究采用的氣動模型如圖1所示。前半部分為加熱器結(jié)構(gòu),后半部分為固體燃料沖壓發(fā)動機燃燒室及噴管,本文模擬高焓來流下固體燃料沖壓發(fā)動機直聯(lián)式實驗工作過程。工作時,加熱器對來流空氣進行加熱,產(chǎn)生高焓來流進入直聯(lián)的燃燒室內(nèi)。采用二維軸對稱計算,因而忽略了加熱器殼體和中心錐之間的連接支架。主要設(shè)計參數(shù):藥柱內(nèi)徑為54 mm,固體燃料長度為120 mm,噴管喉徑為27 mm,燃燒室入口內(nèi)徑40 mm,氫氣入口與氧氣入口直徑均為5 mm。為保證固體燃料表面燃速模擬準(zhǔn)確,在固體燃料表面附近將網(wǎng)格加密,第一層網(wǎng)格高度為0.1 mm。

    為了研究點火后沖壓發(fā)動機燃燒室內(nèi)流場隨時間的變化規(guī)律,先后計算了加熱器工作時的穩(wěn)態(tài)流場和沖壓發(fā)動機開始工作后的流場。在得到加熱器正常工作的穩(wěn)態(tài)流場基礎(chǔ)上,在燃燒室區(qū)域發(fā)生化學(xué)反應(yīng),啟動點火過程。具體的計算工況如表1所示,mK、mH2和mO2分別為空氣、氫氣和氧氣入口的質(zhì)量流率,當(dāng)量比取0.9。

    表1 數(shù)值計算工況

    2 仿真結(jié)果與分析

    2.1 點火過程

    圖2為點火過程中不同時刻下燃燒室內(nèi)溫度云圖及其燃燒產(chǎn)物CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖。主流空氣經(jīng)加熱器加熱后,產(chǎn)生總溫約1500K的來流進入燃燒室。

    在t=0.4 ms之前,燃燒室溫度逐漸增加,固體燃料開始分解出C2H4氣體并不斷積累,同時觀察到有CO2生成但含量不多,說明有微弱的化學(xué)反應(yīng)進行。隨著時間的推移,燃燒室內(nèi)熱量不斷積累,化學(xué)反應(yīng)強度和積聚的C2H4量到達(dá)一定值,初始火焰開始形成。在t=0.4 ms,燃燒室后臺階區(qū)域以及燃燒室尾部各形成一個溫度約2 400 K的高溫區(qū),C2H4與空氣劇烈反應(yīng),放出大量熱并促使固體燃料產(chǎn)生大量熱解氣體,反應(yīng)產(chǎn)生的CO2逐漸增多。隨著反應(yīng)的進行,高溫區(qū)作為點火源使整個固體燃料都被點燃,固體燃料表面形成一層薄薄的火焰。隨后固體燃料充分燃燒,高溫區(qū)變大,火焰層的厚度不斷增加,由于回流區(qū)的作用,呈兩邊厚中間薄的形態(tài),生成的CO2主要位于臺階后的回流區(qū)內(nèi)。在t=4.4 ms之后,流場溫度及組分基本不發(fā)生變化,流場已基本穩(wěn)定,燃燒室內(nèi)火焰處于穩(wěn)定燃燒與傳播階段,火焰呈狹長的帶狀附著于固體燃料表面附近,火焰溫度最高約為2 900 K。

    圖3為不同時刻下燃燒室內(nèi)的C2H4氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖。可以看到,在點火初期,隨著燃燒室溫度的上升,聚乙烯受熱逐漸分解,C2H4氣體的含量不斷增加,點火發(fā)生后,大部分C2H4參與燃燒反應(yīng)被消耗掉,火焰穩(wěn)定后C2H4氣體的分解量與消耗量達(dá)到動態(tài)平衡。由于薄薄的火焰層呈狹長的帶狀附著于固體燃料表面附近,使得殘存的C2H4氣體主要存在于突擴臺階的角落及固體燃料表面。

    2.2 燃速及壓力變化

    為觀察點火過程中壓力隨時間變化規(guī)律,在燃燒室軸線上從入口到出口等間距的設(shè)置了4個監(jiān)測點(x=1.39 m,1.43 m,1.47 m,1.51 m)。圖4為0~12 ms內(nèi)各監(jiān)測點壓力隨時間的變化曲線??梢钥吹阶渣c火過程中燃燒室內(nèi)不同位置壓力分布比較均勻,變化規(guī)律基本一致。由于在點火前加熱器已經(jīng)穩(wěn)定工作,故t=0時刻燃燒室壓力已經(jīng)較高;點火初期初始火焰形成,壓力短暫上升,隨后壓力振蕩下降;在t=8 ms后各點壓力趨于穩(wěn)定,自點火建壓過程完成。

    圖5為不同時刻下燃面推移速率沿水平方向的分布,圖6為不同時刻燃燒室氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖。在點火的初始階段,燃燒室溫度較低,固體燃料表面只有微弱的化學(xué)反應(yīng),燃速較低;而后在t=0.8 ms,固體燃料被點燃,火焰厚度很薄,火焰層距離固體燃料表面很近,分解出的C2H4處于富氧條件中,導(dǎo)致燃速迅速升高,達(dá)到0.35 mm/s左右;隨著火焰的發(fā)展,高溫區(qū)擴大,大量分解出的C2H4參與反應(yīng),固體燃料表面附近氧氣含量降低,燃速降低到0.25 mm/s左右;成型火焰形成后,不斷放出熱量,燃燒室溫度增加,燃速緩慢增加,直至穩(wěn)定。

    2.3 穩(wěn)定燃燒流場特性

    圖7為燃燒室穩(wěn)定燃燒時的流場流線圖,圖8為CO和C2H4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖,可以看到燃燒室臺階后形成了典型的回流區(qū),與圖2對比可以發(fā)現(xiàn),回流區(qū)內(nèi)化學(xué)反應(yīng)最劇烈,火焰厚度在再附著點之前由最大值逐漸減小,多步反應(yīng)生成的CO和CO2主要集中在回流區(qū)內(nèi),且越靠近臺階含量越高。同時燃燒室兩個角落里形成兩個小回流區(qū),這是由于角落里空氣不足,分解產(chǎn)生的C2H4無法充分燃燒,只能順著回流區(qū)流向主流。

    3 結(jié)論

    1) 從固體燃料開始分解到燃燒室達(dá)到穩(wěn)定燃燒工作階段只持續(xù)數(shù)毫秒,自點火過程時間持續(xù)較短。初始火焰在后臺階區(qū)域和燃燒室尾部形成,火焰呈狹長帶狀附著于固體燃料表面附近,隨時間推移逐漸變厚擴大。

    2) 在自點火過程中,受空燃比影響,燃料的燃面推移速率隨時間推移先增大后減小直至趨于穩(wěn)定,且最大燃速分布在再附著點附近。初始火焰形成前后,燃燒室壓力會有一定程度的上升,隨后逐漸下降直至穩(wěn)定。

    3) 火焰穩(wěn)定后,燃燒產(chǎn)物CO和CO2主要集中在臺階后形成的回流區(qū)內(nèi)。燃燒室角落里由于空氣不足,會殘存一些C2H4氣體。

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