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脉冲爆震发动机DDT过程数值模拟研究
摘要：
本文基于脉冲爆震发动机（PulseDetonationEngine，简称PDE），利用计算流体力学（ComputationalFluidDynamics，简称CFD）数值模拟方法，对PDE的燃烧过程进行了研究。首先，我们介绍了PDE的基本工作原理、特点及应用，然后分析了DDT过程对PDE燃烧效率的影响，最后，利用CFD模拟软件ANSYSFluent对DDT过程进行了数值模拟，并分析了模拟结果，探究了DDT对PDE燃烧过程的作用，为进一步优化PDE的燃烧效率提供了理论支持。
关键词：脉冲爆震发动机；DDT过程；数值模拟；燃烧效率。
1.引言
脉冲爆震发动机是一种新型的燃气发动机，其运行原理是通过在截面变化的管道中，燃料与氧气的混合后，被点火引发爆震反应，将高温高压气体喷射到喷嘴中，形成推进力。与传统的涡轮增压发动机相比，PDE具有细化燃料燃烧的特点，因此燃烧效率更高，同时也具备体积小、重量轻的优势，在火箭、导弹等领域具有广泛应用。
由于PDE的爆震反应发生在管道内部，随着燃料和氧气的混合比例、管道结构等因素的变化，PDE的爆震反应会出现变化，其中DDT（Deflagration-to-DetonationTransition）过程是一种重要的燃烧反应。DDT过程是爆震反应过程中的一种转型现象，其特点是燃料开始以膨胀波的形式燃烧，随后燃烧变成一种高速行波，形成爆震效应。因此，DDT过程对PDE的燃烧效率具有重要影响。
在本文中，我们将利用CFD数值模拟方法，对PDE的DDT过程进行研究，探究DDT过程对PDE燃烧效率的影响，并提出优化方案，为PDE的进一步改进提供理论支持。
2.PDE的工作原理和特点
PDE的工作原理可以简单概括为：在管道内混合燃料和氧气，点火引发爆震反应，将高温高压气体推向喷嘴，形成推进力。与常规的涡轮增压发动机不同，PDE的爆震反应发生在管道内部，此外，PDE在喷射高温高压气体后，其排气温度和压力均较低，与传统燃气发动机相比，具有能耗低、重量轻等诸多优点。
3.DDT过程的影响因素
DDT过程的发生受多个因素的影响，主要包括以下几个方面：
（1）混合气的组成：燃料和氧气的混合比例对DDT过程具有重要影响，部分燃料或氧气的浓度不足，都会降低DDT的发生概率。
（2）管道结构：管道内部结构的变化会影响气体的流场分布，从而影响DDT过程的发生。
（3）点火位置：点火位置的选择也会对DDT过程的发生起到重要影响，不同位置的点火会导致不同的燃烧方式和燃烧过程。
（4）初始气体压力和温度：初始气体的压力和温度也会影响DDT过程的发生，一般情况下，高压、高温的初始气体更容易引发DDT过程。
4.CFD数值模拟研究
本文使用CFD数值模拟软件ANSYSFluent，对PDE的DDT过程进行了模拟研究。具体模拟过程包括以下几个步骤：
（1）建立几何模型：本文按照实际情况，使用软件建立了PDE的几何模型，该模型包括燃烧室、供氧管、排气管等部分。
（2）数值离散化：在模型建立后，利用网格化技术将模型离散化为有限的计算网格，将模型内部的气体分解成小粒子，方便进行数值计算。
（3）选择计算模型：在进行数值模拟前，需要选择适当的计算模型，本文使用该软件中的RANS（Reynolds-AveragedNavier-Stokes）模型进行计算。该模型将湍流流动看作是平均速度和湍流脉动速度两部分组成的，运用统计学和数值计算方法，对流场进行计算分析。
（4）计算过程：利用ANSYSFluent软件进行计算，具体计算过程包括设定计算条件、启动计算、监测结果等。
5.结果分析与优化方案
通过上述CFD数值模拟方法，本文得到了PDE的DDT过程数值模拟结果，并进行了分析和优化方案的提出。我们发现，DDT过程对PDE燃烧效率具有重要影响，具体表现在以下几个方面：
（1）DDT过程将燃烧方式从膨胀波形式转变为高速行波，提高了爆震反应的效率。
（2）DDT过程使喷射至喷嘴的高温高压气体更稳定、均匀，提高了PDE的推进效率。
针对上述分析结果，我们提出如下优化方案：
（1）优化混合气体组成，调整燃料与氧气的混合比例，提高DDT过程发生率。
（2）优化管道结构，使气体流场更加均匀稳定，有利于DDT过程的发生和燃烧效率的提高。
（3）优化点火位置和点火方式，控制燃烧过程，提高DDT过程的发生率。
（4）优化初始气体温度和压力，提高DDT过程发生概率，提高燃烧效率。
6.结论
本文利用CFD数值模拟方法，对PDE的DDT过程进行了研究。通过数值模拟结果分析，我们认为DDT过程对PDE燃烧效率具有重要影响，因此提出了相应的优化方案。该优化方案能够有针对性地调整混合气体组成、管道结构、点火位置和初始气体温度和压力，提高DD