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1、粉末燃料冲压发动机燃烧室两相流数值模拟 申慧君夏智勋胡建新罗振兵 ( 国防科学技术大学航天与材料工程学院，湖南长沙4 1 0 0 7 3 ) 摘要：采用颗粒轨道模型对镁粉燃料冲压发动机的两相流场进行了三维敷值模拟，目的是为 进一步的嘉l 研究提供指导和参考结合理论性能分析提出了一种发动机构型，通过数值模拟分析了颗 粒粒径，产物相态等因素对该发动机燃烧效率的影响结果表明：粉末燃料的粒径校小时点火延迟时问 短，颗粒在发动机中的滞留时间长，燃料燃烧效率较高 圭题词：粉束燃料冲压发动机。数值模拟，两相流，三维流场，镁颗粒燃烧 1 引言 粉末燃料冲压发动机是一种以金属粉末为燃料，冲压空气作为氧化剂和工质
2、的新型冲压发动机。由 于采用尚能量密度的金属粉末为燃料，该发动机具有比冲高、安全性好、成本低以及推力可调等优点。 美国N A S A 、法国O N E R A 都先后对该种发动机的相关技术开展了研究，主要包括：粉末燃料燃烧的理论 与实验研究；粉末燃料流化供应系统的设计与实验研究：旋动机理论性能的计算分析以及发动机实验研 究等”“。但目前还未见关于粉末燃料冲压发动机燃烧室两相流动燃烧的数值模拟研究报道 通过大量实验来确定该发动机的合理构型并研究各种因素对发动机性能的影响，需要花费大量的人 力、物力、财力和时间。为了减少资源浪费。开展发动机数值模拟研究是一项非常重要的工作。本文采 用颗粒轨遣模型对
3、设计的以镁粉为燃料的粉末冲压发动机燃烧流场进行了三维数值模拟。研究了颗粒直 径及燃烧产物相态对发动机性能的影响，为进一步的发动机实验研究提供参考 2 发动机结构设计 粉末燃料冲压发动机以金属粉末为燃料，粉末燃 料必须在高温下才能与冲压空气发生化学反应因 此如何实现常温粉末在空气中点燃启动。并通过合 理的燃烧过程组织和火焰稳定技术，使燃料颗粒在冲 压空气中实现高效、稳定的燃烧是发动机研究的关键 技术该种发动机目前还处于研究的起步阶段，国外 学者提出了一些发动机概念构型f 2 I 以及用于燃料燃 烧研究的实验发动机构型，但目前技术均不成熟。 利用编制的粉末燃料冲压发动机理论性能计算 软件，对镁粉燃
4、料冲压发动机的理论性能进行了计 算分析，结果表明( 图1 ) ，发动机比冲随空燃比增大 m _ 圈1 发动机比冲、室温随空燃比的变化 而增大，而燃烧室温度随空燃比增加先快速升高在燃料当量比附近室温达到极值，而后开始快速下降。 室温的降低不利于燃料的高效燃烧，甚致会导致发动机不能持续工作。因此在发动机设计时可采用二次 迸气的方式，一次进气保证空燃比在燃料的当量比附近满足发动机启动和稳定持续燃烧的要求，= 次进 气增大发动机空燃比使发动机性能达至最优。由图1 可知以镁粉为燃料的粉末冲压发动机当空燃比在 当量混合比附近时燃烧温度很高( 理论计算温度约为3 3 0 0 K ) ，因此防烧蚀也就成为这种
5、方案需要解决 钓重要拇题 基于理论性能分析并借鉴目人的经验，设计了如图2 所示的粉束燃料冲压发动机发动机由投燃室、 补燃室、喷管、进气道等几部份组成一次进气从预燃室头部沿壁面轴向喷入，在为发动机点火提供氧 化剂的同时起到防止壁面烧蚀和沉积的作用。粉末燃料由少量流化气携带从发动机头部的环形入口轴向 喷入氢氧火箭发动机的高温燃烧产物以4 5 。角从燃烧室头部轴线处的环形孔喷入。用来点燃粉末和空 气的混台物实现发动机点火预燃室和朴燃室之廊用一个大孔径的隔扳隔开，设置隔板的耳的是增加顼 燃室的湍流度并形成回流区，起到火焰稳定并加速气固两相火焰 3 】速度的作用。二次进气采用常规固 体火箭冲压发动机方式
6、。 3 物理模型和计算方法 冒2 糖末憋睾毒冲压发动机结梅 实际的发动机两耜流动燃烧过程非常复杂，为了简化分析和计算，对图2 所示发动机流场作如下假 发动机流场为三维定常反应流场。 反应为简单一步总包反应。 燃烧室内的气体为理想气体，符合气体状态方程P2 户嫒丁， 火炬燃气中只有D 2 、月2 D 两种组分 作为燃料的镁粉为纯净的金属颗粒，表面未被氧化层包覆。 镁颗粒在高温下先蒸发，而后镁蒸汽与燃烧室中的氧气反应放出热量生成凝相的氧化镁产物。其反 应方程式为： 2 M g ( g ) + D 2 呻2 M g O ( S ) 不考虑重力和辐射传热的影响 3 。1 气籀控制方程 根据以上假设和流
7、体力学中的质量、动量、能量、组分、湍流的七一s 方程，三维燃烧室的控制方 程可以写为： ， 昙c 俐十妄c 例，+ 号i ，+ 丢c 川一丢c 。一号c r ，爹一妄c r ，挚一m 式中：，6 是流动交量，0 是变量妒的有效输运系数( 包括湍流的影响) ，只是气相源项以及方程中 不能写入上式左边各项中的那些项妒、0 、q 的具体内容见文献 4 1 3 2 镁颗粒的燃烧与运动模型 采用文献 5 】中镁颗粒燃烧模型来描述颗粒蒸发速度： d r d rl 一丝譬靼，刈 _ L ：j粥 “。 面l l o ，2 0 ( 2 ) 式中：表示颗粒半径，善表示当地氧化剂浓度，t 。表示颗粒燃烧前的初始直径
8、 R e 。2 尸阿一以j 出。当o 1 s 户2 2 M P a 对，( P ) = l o P 4 ，耳= 3 0 7 9 + 1 0 1 。尸，当 P 2 2 M P a 对，f ( P ) = 1 2 9 。群= 5 6 5 8 + 1 0 不考虑辐射传热对颗粒温度的影响，认为颗粒蒸发吸收的热量均来自气相，即颗粒温度的变化只与 对流传热有关； 脚席誓2 鸭瓯吲 ( 3 ) 式中，研P 、。P 、乃、4 分别表示颗粒的质量、比热比、温度、表面积，L 表示气相温度， 表 示对流热传导系数 3 3 边界条件 边界条件是根据发动机实际飞行性能确定的进气道入口为经过激波压缩后的空气，空气入口静压
9、 f 0 。4 _ 3 8 1 l x l 0 5 P a ，入口温度z = 5 7 3 K ，一次进气入口质量流量m 。12 1 1 4 8 堙，= 次进气入 口质量流量掰一222 8 5 2 k g 粉末燃料入口质量根据空燃比为1 0 设计m 州20 4 培燃料由少量冲 压空气流化并携带进入燃烧室，流化气质量流量为历加2O 2 堙，其它参数与空气入口相同发动机 喷管出口压强为只2 1 0 1 3 2 5 1 0 P a 。 4 计算结果与讨论 图3 所示为镁颗粒直径分别为6 、1 0 、2 0 、6 0 胛的镁颗粒在燃烧室中的流动轨迹及点火位置示意图 颗粒轨迹中黑色部分表示粒子没有点火。浅
10、色部分表示粒子已经点燃，二者交界处为粒子的点火位置。 由图可知，在总体上颗粒随气相流场流动即颗粒有一定的随流性，直径较小的颗粒随流性好，在燃烧 宣头部随着流化气进入回流区和高温点火区，温度升高很快点火延迟时间短。随着颗粒直径增大，惯性 增大。随流性越来越差，导致燃料颗粒温度升高速度减慢点火延迟时间加长，而粒径为6 0 ，朋的颗粒 甚至始终没有点燃燃料颗粒初始直径越小，越易在头部点火，并易在头部随气流旋转，增加了燃料在 燃烧室内的驻留时间，有利于提高燃料的燃烧效率表1 为燃料颗粒初始直径不同时，发动机燃烧效率 的比较从袭中结果可以发现：当颗粒初始直径变大时。颗粒的燃烧效率明显下降由此可见在发动
11、机设计时选用细粒径的燃料可以大幅提高发动机性能 图4 所示为燃料颗粒直径分别为6 、2 0 尸“的发动机燃烧室温度分布图从图中可以发现颗粒直径为 6 # n 的发动机燃烧室内局部出现高温( 约为4 0 0 0 K ) ，而发动机理论性能计算结果表明z 当空燃比为燃料 当量比时燃烧温度最高，约为3 3 0 0 K ( 见图1 ) ，低于数值模拟的计算结果这是由于在镁颗粒的燃烧过程 中大部分熟释放来自于氧化镁的相变过程，而本文的计算模型中忽略了气相燃烧产物的存在，认为氧 化镁全部凝结为固相。导致结果比理论计算值偏高。可见，在粉末燃料冲压发动机的数值模拟过程中燃 烧产物的相交过程是影响发动机性能的主
12、要因素之一，为了更好的模拟发动机燃烧室的流动和燃烧过 程，在进一步的计算模型中必须引入燃烧产物的凝结和沉积模型，不能简单的处理为全凝相燃料直径 为2 0 w a 时燃烧室温度明显降低，这是因为随着颗粒直径增大，燃料燃烧效率降低释放的总能量减少 室温随之降低。从图中还可看出预燃室内温度虽然较高但壁面温度很低，这是由于预燃室采用沿壁面的 轴向进气方式在壁面处形成了一层低温保护膜补燃室虽然未采取沿壁面进气的方式，但由于引入二 次进气，空燃比增大进一步降低了燃气的燃烧温度，故壁面处温度也较低。 5 结论 图3 颗粒轨迹及点火位 产物相舂 D i 趼1 。噼D f p 缸旧。k ( m ) 6 x i
13、0 - 61 0 1 0 - 62 0 x 1 0 凝相9 5 蝴8 5 枷6 6 3 图4 发动机燃烧室温度分布圈 a 燃料颗粒的初始直径对发动机燃烧效率影响很大较小的粒径点火延迟短。在发动机中的滞留 时间长，燃料燃烧效率高 b 采用沿壁面的轴向进气可以在高温燃烧室的壁面处形成一层低温保护膜，有利于发动机的防热 C 计算过程中燃烧产物的相态对计算结果的影响很大。该计算模型有待进一步完善，例如引入氧 化镁的凝结、沉积模型，以及考虑辐射传热等 1 0 8 参考文献 【l 】O N E R A S m j e t S , ：n m j e t P D E 硒I m r o c l u e d o
14、n s o u r c e o f n e t w o r k 【2 】s G o r o s h i n , A J H i g g h t s , MK a m e l P o w d e r e dM e t a l s 越F u e lf o rH ，p 啪i cg a m j m A I A A - 2 0 0 1 - 3 9 1 9 【3 】刘晓利障碍物对铝粉火焰加速作用的实验研究爆炸与冲击1 9 9 5 ：1 5 ( 1 ) 【4 】周力彳亍多相湍流反应流体力学阳北京：国防工业出版社，2 0 0 王 嘲Y u A G o s t e e v l m d V F e d o r o
15、 v l - D i s c r e t e , - c o n l 曲t u a l m o d e l o f f l a m e p r o p a g a t i o n i n a g a ss u s p e n s i o n o f m e t a l p a r t i c l L O n e - d i m e n s i o n a le p p r o x i m a t i o e C o m b u 鲥o n E x p t o s o n , a n dS h o c kW a v e s2 0 0 5 ：4 1 f 2 ) ：1 9 0 - 2 0 1 1 0 9
