超燃冲压发动机燃烧室流动数值模拟.docx

超燃冲压发动机燃烧室流动数值模拟

陈志会
（中国航天空气动力技术研究院，100074）

摘要：采用计算流体力学方法对二维及三维超燃冲压发动机燃烧室流场进行了模拟，燃料为氢气，并与试验测试结果进行了对比，采用有限速率化学反应模拟，对比不同化学反应动力学模型对模拟结果的影响。
关键词：超燃冲压发动机，层流有限速率模型，化学反应动力学

一、引言

超燃冲压发动机的发展中面临许多挑战，设计工作中需要更高效、更低成本的研究方法，数值模拟方法作为试验测试的补充手段，可以在研究工作中发挥重要作用。国外已经开发了一些能够用于超燃冲压发动机内流模拟的软件，包括美国NPARC联盟的Wind-US，法国的MSD等。
由于气流流经超燃冲压发动机燃烧室所需的时间与化学反应发生的时间尺度相当，所以超燃冲压发动机燃烧室中的流动属于典型的化学非平衡流动，在对这种流动的模拟中，化学反应动力学模型的选择对计算结果影响很大。

二、数值模拟及结果分析

2.1数值方法
本文计算中，采用有限体积法积分流动控制方程，湍流模型采用k-wSST模型，由于流动的非平衡性，燃烧反应采用层流有限速率模型。所选用化学反应动力学模型为8组分25步反应。
2.2二维燃烧室算例
二维燃烧室模型采用NASALewis研究中心1973年的试验模型[1]，来流Mach=2.44，该试验模型已被广泛用于超燃冲压发动机燃烧室数值模拟的验证算例。图1为流场总温计算结果，图2为出口截面总温计算值与实验值对比，可见CFD模拟的燃烧后温度及燃烧反应发生的范围与试验数据符合较好。
图1二维燃烧室流场图2出口总温与实验值对比
2.3三维燃烧室算例
三维燃烧室算例采用维吉尼亚大学的直连式风洞试验模型（图3），该模型计算域包括一个拉瓦尔喷管，隔离段及燃烧室，其中拉瓦尔喷管将来流气流加速到Mach2。图4是对称面上流场的计算结果。

图3三维超燃冲压发动机模型图4三维模型对称面流场计算结果
上：水蒸气浓度；下：温度
三、总结

本文采用CFD方法模拟超燃冲压发动机燃烧室流动，采用8组分25步反应模拟氢气与空气的反应，首先通过二维算例与试验数据的对比验证了本文所采用方法的可靠性，之后将该方法应用于较复杂三维超音速燃烧室的模拟，模拟结果比较合理。

参考文献

1 MarshallC.,BurrowsandAnatoleP.Kurkov.Analyticalandexperimentalstudyofsupersoniccombustionofhydrogeninavitiatedairstream,1973.NASATMX-2828