斜爆震发动机的流动与燃烧机理
发布时间：2021-02-17 20:15
斜爆震发动机是一种用于吸气式高超声速飞行器的新型动力系统.它利用斜爆震波实现超声速气流中的高效燃烧,具有放热快、比冲高、燃烧室短、运动部件少等科学和技术优势,是高超声速推进技术的前沿方向.这种发动机的关键是斜爆震波的起爆与波系控制,因此需要对燃烧室的流动与燃烧机理进行深入研究.在激波与燃烧耦合作用下,斜爆震会形成具有多波结构的起爆区,是一种受燃料性质影响的复杂波系结构.这种波系结构通过高速来流的作用驻定在楔面上,然而其对来流参数变化非常敏感,因此需要对可能出现的非定常波动力学过程进行研究.此外,受限空间中的斜爆震结构,即斜爆震波系结构与发动机几何约束的作用,也是斜爆震发动机研制必须面临的问题.本文对上述几个方面的研究进展进行了综述,在总结研究成就的基础上,阐释了斜爆震发动机研制面临的关键问题,提出了下一步研究需要重点关注的方向.
【文章来源】：中国科学:物理学 力学 天文学. 2020,50(09)北大核心
【文章页数】：23 页
【部分图文】：
斜爆震波结构示意图.(a)突变起爆;(b)渐变起爆[14]图片已获得授权
斜爆震发动机(Oblique Detonation Engine,ODE)是一种很早就被提出的概念,其原理是在高速预混气体中触发斜爆震波,组织超声速燃烧.这种发动机中斜爆震波是朝向上游的,有别于脉冲爆震的向下游传播,或者旋转爆震的侧向传播.实现斜爆震波在燃烧室内的驻定燃烧,需要根据其传播特性,对来流进行匹配性约束,其中高马赫数来流是稳定的必要条件之一.因此,这种发动机不具备地面低速自启动能力,而更适用于较高马赫数的高超声速飞行器.国外学者提出了两种斜爆震发动机-飞行器构型(图2)[3],可见这是一种基于乘波体飞行器的发动机,其构型类似于超燃冲压发动机(Scramjet).然而,ODE的设计理念是燃料喷射后优先混合,达到一定均匀度后通过楔形体诱发斜爆震波实现混气快速燃烧释热,与Scramjet边混合边燃烧有本质区别.Scramjet中的燃烧,是一种超声速来流中的燃烧,燃烧波相对于可燃气并不是超声速的而ODE中的斜爆震波本身是超声速的,因此也有人把爆震燃烧称为真正的超声速燃烧.另一种利用斜爆震波的方案是冲压加速器(Ram Accelerator),这可以看作一种简化版的斜爆震发动机,其原理是在充满可燃气的长管道中射入高速射弹,利用射弹诱导的斜爆震波推动其自身进一步加速.冲压加速器实现加速的关键在于合适的斜爆震位置,为此需要对气体的爆震波特性以及射弹外形进行精确计算和设计.冲压加速器避开了在高总压超声速气流中混合困难的问题,一方面用来研究斜爆震波的特性和燃烧机理,另一方面作为一种弹道靶设备,被用于开展冲击动力学、气体物理效应的研究.斜爆震推进的概念在20世纪50–60年代提出,并随着冲压加速器的探索,在20世纪80年代晚期至90年代初期迎来第一次研究高峰,美国、苏联、加拿大、法国、澳大利亚等纷纷开展研究.然而,当时的结论认为斜爆震发动机的性能优势要在飞行马赫数10甚至更高才能发挥出来,同时斜爆震波驻定困难,容易向上游或下游传播,导致应用难度大.因此,斜爆震的研究陷入低谷,后续的高超声速推进技术发展一分为二:一方面开展马赫数10以上的基于火箭动力的助推-滑翔式高超声速飞行器研制,另一方面开展马赫数7以下的基于超燃冲压的高超声速飞行器研制.过去20年,高超声速领域取得了长足的技术进步,助推-滑翔式的高超声速武器进入装备阶段,马赫7以下超燃冲压发动机技术取得了突破.在此基础上,发展适用于马赫数10及其以上的、基于吸气式推进系统的新型高超声速飞行器成为下一步高超声速技术发展的必然趋势.
上述关于斜爆震的研究,主要还是从爆震物理的研究理念出发,侧重于斜爆震条件下的激波和燃烧导致的复杂现象,以期掌握超声速来流中强间断和放热耦合的机制和规律.然而,对于斜爆震发动机的研制来说,上述研究还存在明显不足.首先,上述研究大部分都是基于简单总包反应模型,多数是单步放热模型,在推动机理研究的同时,导致化学反应模型过度简化,难以对实际流动进行仿真的问题.其次,上述研究基本不考虑来流的复杂性,比如非均匀混合和非定常来流,而这些因素在发动机来流中是不可避免的.最后,上述研究关注的是二维半无限长楔面,即二维平面流动,不考虑有限长度楔面以及发动机几何限制造成的影响是一种简化的理想情况.针对上述三个问题,学术界近几年开展了许多研究,下面对相关方向的重要进展分别进行介绍.图4 斜爆震波结构示意图.(a)突变起爆;(b)渐变起爆[14]图片已获得授权
【参考文献】：
期刊论文
[1]Molecular dynamics simulation of cylindrical Richtmyer-Meshkov instability[J]. Zhenhong Wu,Shenghong Huang,Juchun Ding,Weirong Wang,Xisheng Luo. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2018(11)
[2]Interaction of strong converging shock wave with SF6gas bubble[J]. Yu Liang,ZhiGang Zhai,XiSheng Luo. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2018(06)
[3]捕捉激波的群速度控制方法[J]. 李新亮,傅德薰,马延文. 空气动力学学报. 2014(05)
[4]无波动、无自由参数的耗散差分格式[J]. 张涵信. 空气动力学学报. 1988(02)
本文编号：3038475
【文章来源】：中国科学:物理学 力学 天文学. 2020,50(09)北大核心
【文章页数】：23 页
【部分图文】：
斜爆震波结构示意图.(a)突变起爆;(b)渐变起爆[14]图片已获得授权
斜爆震发动机(Oblique Detonation Engine,ODE)是一种很早就被提出的概念,其原理是在高速预混气体中触发斜爆震波,组织超声速燃烧.这种发动机中斜爆震波是朝向上游的,有别于脉冲爆震的向下游传播,或者旋转爆震的侧向传播.实现斜爆震波在燃烧室内的驻定燃烧,需要根据其传播特性,对来流进行匹配性约束,其中高马赫数来流是稳定的必要条件之一.因此,这种发动机不具备地面低速自启动能力,而更适用于较高马赫数的高超声速飞行器.国外学者提出了两种斜爆震发动机-飞行器构型(图2)[3],可见这是一种基于乘波体飞行器的发动机,其构型类似于超燃冲压发动机(Scramjet).然而,ODE的设计理念是燃料喷射后优先混合,达到一定均匀度后通过楔形体诱发斜爆震波实现混气快速燃烧释热,与Scramjet边混合边燃烧有本质区别.Scramjet中的燃烧,是一种超声速来流中的燃烧,燃烧波相对于可燃气并不是超声速的而ODE中的斜爆震波本身是超声速的,因此也有人把爆震燃烧称为真正的超声速燃烧.另一种利用斜爆震波的方案是冲压加速器(Ram Accelerator),这可以看作一种简化版的斜爆震发动机,其原理是在充满可燃气的长管道中射入高速射弹,利用射弹诱导的斜爆震波推动其自身进一步加速.冲压加速器实现加速的关键在于合适的斜爆震位置,为此需要对气体的爆震波特性以及射弹外形进行精确计算和设计.冲压加速器避开了在高总压超声速气流中混合困难的问题,一方面用来研究斜爆震波的特性和燃烧机理,另一方面作为一种弹道靶设备,被用于开展冲击动力学、气体物理效应的研究.斜爆震推进的概念在20世纪50–60年代提出,并随着冲压加速器的探索,在20世纪80年代晚期至90年代初期迎来第一次研究高峰,美国、苏联、加拿大、法国、澳大利亚等纷纷开展研究.然而,当时的结论认为斜爆震发动机的性能优势要在飞行马赫数10甚至更高才能发挥出来,同时斜爆震波驻定困难,容易向上游或下游传播,导致应用难度大.因此,斜爆震的研究陷入低谷,后续的高超声速推进技术发展一分为二:一方面开展马赫数10以上的基于火箭动力的助推-滑翔式高超声速飞行器研制,另一方面开展马赫数7以下的基于超燃冲压的高超声速飞行器研制.过去20年,高超声速领域取得了长足的技术进步,助推-滑翔式的高超声速武器进入装备阶段,马赫7以下超燃冲压发动机技术取得了突破.在此基础上,发展适用于马赫数10及其以上的、基于吸气式推进系统的新型高超声速飞行器成为下一步高超声速技术发展的必然趋势.
上述关于斜爆震的研究,主要还是从爆震物理的研究理念出发,侧重于斜爆震条件下的激波和燃烧导致的复杂现象,以期掌握超声速来流中强间断和放热耦合的机制和规律.然而,对于斜爆震发动机的研制来说,上述研究还存在明显不足.首先,上述研究大部分都是基于简单总包反应模型,多数是单步放热模型,在推动机理研究的同时,导致化学反应模型过度简化,难以对实际流动进行仿真的问题.其次,上述研究基本不考虑来流的复杂性,比如非均匀混合和非定常来流,而这些因素在发动机来流中是不可避免的.最后,上述研究关注的是二维半无限长楔面,即二维平面流动,不考虑有限长度楔面以及发动机几何限制造成的影响是一种简化的理想情况.针对上述三个问题,学术界近几年开展了许多研究,下面对相关方向的重要进展分别进行介绍.图4 斜爆震波结构示意图.(a)突变起爆;(b)渐变起爆[14]图片已获得授权
【参考文献】：
期刊论文
[1]Molecular dynamics simulation of cylindrical Richtmyer-Meshkov instability[J]. Zhenhong Wu,Shenghong Huang,Juchun Ding,Weirong Wang,Xisheng Luo. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2018(11)
[2]Interaction of strong converging shock wave with SF6gas bubble[J]. Yu Liang,ZhiGang Zhai,XiSheng Luo. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2018(06)
[3]捕捉激波的群速度控制方法[J]. 李新亮,傅德薰,马延文. 空气动力学学报. 2014(05)
[4]无波动、无自由参数的耗散差分格式[J]. 张涵信. 空气动力学学报. 1988(02)
本文编号：3038475
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