《非預混連續旋轉爆轟發動機流動特性的大渦模擬研究》是依託北京套用物理與計算數學研究所，由周蕊擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：非預混連續旋轉爆轟發動機流動特性的大渦模擬研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：周蕊
- 依託單位：北京套用物理與計算數學研究所
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
研究以連續旋轉爆轟發動機(CRDE)為主的爆轟推進技術對我國軍事和國防建設具有重要意義。真實CRDE中燃料/氧化劑分開噴注，它們的混合過程極為複雜並會顯著影響爆轟特性。但以往研究多基於Euler控制方程圍繞預混進氣開展，近期以RANS為主的非預混研究主要給出流場時均特徵，缺乏對真實CRDE中湍流混合、混合-爆轟相互作用等非定常過程及其物理機理的揭示。.本項目擬採用大渦模擬方法(LES)開展多因素影響下的非預混CRDE流動特性研究。發展可壓縮化學反應流動的LES方法，考察不同化學反應機理和湍流燃燒模型對非預混CRDE的刻畫和預測能力。根據高時空解析度的LES數據，揭示非預混CRDE的瞬態流場特徵，明確噴注條件和噴注構型對其中湍流混合和爆轟特性的影響機理，探索甲烷、乙烯的非預混CRDE混合和爆轟特性。研究結果可促進對真實CRDE中複雜物理化學過程的認識，更可直接為其研製和設計套用提供理論參考。
結題摘要
真實連續旋轉爆轟發動機(CRDE)中混合過程極為複雜並顯著影響爆轟性能，已有數值模擬手段對其中非定常過程和物理機理的刻畫存在不足。本項目：(1)建立了以大渦模擬為基礎的、基於有限體積離散的、能準確刻畫流場瞬時結構特徵的可壓縮化學反應流動數值模擬方法；(2)首次對非預混CRDE冷流場中燃料和氧化劑的混合過程及其主要摻混機理開展了定量的深入研究，明確了非預混噴注流場中存在欠膨脹特徵、大尺度渦結構，以及回流區等複雜的流動現象。由於K-H不穩定性產生的大尺度湍流渦結構是促進氫/氧混合的主要機制。(3)考察了氧氣噴注位置、氫氣噴注角度、平行進氣距離等多種因素對流場混合特性的影響。通過定義混合距離、可爆轟範圍等定量評估了不同噴注設計的摻混效率。氫/氧在推力牆處分別沿45度靠近內外壁面噴注時摻混效率最高，最有利於兩種氣體的混合。首次設計了氫/氧分級進氣模式，進一步縮短了氫/氧混合距離，增大了可爆轟範圍，從而提高了摻混效率。(4)研究了圓形、橢圓形、方形，以及長方形等噴嘴形狀下的流動特性。明確了橢圓射流穿透速率最慢，射流核心區的長度最短，混合面積最大。圓孔和方孔射流的主不穩定性受三維螺旋不穩定模態主導，但橢圓和長方形射流則主要在短軸平面上呈現出二維的不穩定特性。(5)研究了不同噴壓比下高度欠膨脹射流的激波振盪現象。明確了馬赫盤的振盪周期對於不同的NPR是相同的，並且在當前噴嘴幾何設計下由5.298kHz的軸對稱模式支配。徑向的衝擊振動幅度沿著流動方向增加，而對於較低的NPR，衝擊振動幅度較大，這意味著它是尖端振幅的增加函式。以上工作揭示了非預混CRDE流場的瞬態流動特徵，明確了噴注條件、噴注構型及不同燃料對其中湍流混合和爆轟特性的影響機理。研究結果促進了對真實CRDE中複雜物理化學過程的認識，為其研製和設計套用提供了理論參考。
