基于基元化学反应的多点射流起爆爆震波数值研究

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爆震燃烧是一种极高效的燃烧方式,利用这种方式进行能量转换的脉冲爆震发动机(Pulse Detonation Engine,简称PDE)具有成为新一代推进动力的巨大潜力。PDE中由爆震波完成的燃烧过程具有近似等容和自增压等优点,PDE也由此得到了广泛的研究。但是目前PDE尚有一些关键技术尚未完全解决,而爆震波的快速生成是其中的主要问题之一。当前爆震波生成的主要方式是利用DDT(Deflagration to Detonation Transfer)过程,且有多种方式来缩短该过程,其中射流起爆具有明显的优势。本文主要开展多个射流的布置方式和射流之间的相互作用对于起爆过程影响的研究。研究采用了H2/Air 8组分19步反应机理和C3H8/O2/N2混合物的两步反应机理。首先,利用二维数值模拟方法研究了两个直径10mm的射流管起爆直径30mm爆震管的过程。分别研究了射流管到爆震管头部的距离L1和射流管间距L2对起爆的影响。结果表明,爆震射流在爆震管中会首先发展为球形波,期间波面压力和温度发生衰减;L1和L2会分别影响射流和左端壁面以及射流之间相互作用的时间,从而影响波面碰撞产生高压点(第一类高压点)和壁面反射产生高压点(第二类高压点)的时间,进而影响DDT过程和爆震波参数;L1=L2=10mm时具有最优起爆性能。其次,研究了爆震管径对于爆震射流起爆的影响。计算结果表明,爆震管径的增加会增加爆震射流衰减的时间并延后高压点产生的时间,因而管径的增加会增加DDT时间和距离;同样采用数值模拟方法对低速射流的起爆过程进行了研究,研究发现在射流管长度较小时射流管长度差(ΔH)在20mm内可以成功起爆;多点射流对向交错布置比正对向布置具有更好的起爆性能,而射流个数的增加对DDT时间的影响更明显。设计了轴向射流在爆震管内分段加速结构,射流从加速段的间隔喷出。开展了该结构参数对于起爆影响的数值模拟。结果表明,加速段的长度对于射流火焰的加速具有一定影响,在加速段长度l=12mm时得到了本文的最佳加速性能;通过射流强度对于该结构起爆的影响研究发现,当射流强度较大时,该结构相比于横向射流管具有更短的DDT距离和时间;最后,开展了爆震管径、射流管个数和燃料可爆性能对于爆震波生成影响的三维数值模拟。结果表明,三维空间爆震波的衍射和衰减更加明显;三维起爆过程中爆震波的相互作用和二维相似,起爆过程中壁面的作用会随着射流个数和混合物可爆性的增强而减弱。
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