三维爆震引射增推性能数值计算及验证
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在求解 过 程 中 沿壁 面 适 当地 细 化 或 粗 化 网格 。 圆 形爆震 室 和 引 射 喷 管 的 尺 寸 与 二 维 轴 对 称 计 算 模
脉冲爆震引射 喷管 流场及其增推性 能的探索 性研
究 具 有 十分重 要 的意 义 。
型尺寸相等 ， 为了克服外界对喷管 出口和引射进 口
是研 究 人员 面 临的一 大挑 战 。国外 在 ２ Ｏ世 纪 ６ ０年 代 曾对 在 脉 冲发 动 机 出 口安 装 排 气 引 射 增 推 装 置 进 行过 研究 ， 利 用 脉 冲发 动 机 出 口高 速 不 稳 定 的 主
１ 研 究方法与模型
１ ． １ 数 值 方法 与模 型
计 算模 型采 用 与 试 验模 型相 等 的尺 寸 ， 爆 震 室 直径为 ５ ０ ｍｍ， 长度为 １ ０ ０ ０ ｍ ｍ， 引 射 喷 管 直 径 为
流场干扰的影响 ， 增加 了外区。计算 中采用 了梯度
２ ０ １ ３ 年１ Ｏ月 １ ２日收到 第一作者简介 ： 秦亚欣 （ １ ９ ８ ２ 一） ， 女， 河北石家庄人 ， 博士 ， 高级工程
师 。研究方 向 ： 脉 冲爆震燃烧相关 。Ｅ － ｍａ ｉ ｌ ： ｑ ｉ ｎ ｚ ｉ ７ ２ ４ ＠１ ６ ３ ． ｏ ｏ ｍ。
科
学
技
术
与
工
程
１ ３卷
趟
且 １ ＋ 一— ｌ Ｚ １ 一 Ｉ ｙ
一
图 １ 计 算 网格 不 意 图
Ｐ 、 温度 ， 波 后 燃烧 产 物 音 速 ｃ ， 推 力 壁 附 近压
一ｌ ｙ
力Ｐ ， 以及 比热比 。 将这些参数代入以下解析解公
式中， 得 到爆震 室 内气 体 速 度 、 压力 、 密度 以及 温 度 沿 轴 向的分 布情 况 ， 即爆 震 波解 析 解 。在 同样 条 件 下 应用 Ｆ Ｌ Ｕ Ｅ Ｎ Ｔ软件 对 Ｃ ： Ｈ２ ／ Ａ ｉ ｒ 混合 物 采用 １ ６组 分２ ５步反 应机 理 可 以算 出爆 震 室 内 的爆 震 参 数 分 布， 即爆 震波 数值 解 。从 图 ２可 以看 出用 解 析 解 法
关键 词
脉冲爆震 发动机 Ｖ ２ ３ １ ． ２ ２ ；
引射 喷管
推 力增量 Ａ
数值计算
中图法分类号文献标志码如何将 脉 冲爆震 发动 机 （ ｐ ｕ ｌ ｓ ｅ ｄ ｅ ｔ ｏ ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｅ ｎ ．
ｇ ｉ ｎ ｅ ， Ｐ Ｄ Ｅ ） 产生的脉冲力有效地转化为推进器推力
摘
要
对三维圆形爆震 室引射增推性 能进行 了数值模 拟和试 验验证 。应用数 值方 法对爆震 波衰退 为激 波后 的传播 、 排除
过程进行 了多循环模 拟； 分析 了三维爆 震波非稳态 引射流场 的变化过程； 得 到 了与 文献一致 的结果 。对 多循 环爆 震 引射过 程 的瞬 时推力 、 冲量 以及爆震 室出 口的质 量流量进行 了分析研 究。 Ｉ 射喷管在 不 同位 置处 时， 对爆震 室的推力 增量值进行 了对 比， 发 现在 引射喷管轴 向位置 Ｘ＝ ０ ｍｍ处 时推力增量达 到最大值 ， 试验验证 了这 一结论。
＠
２ ０ １ ３ Ｓ ｃ ｉ ． Ｔ ｅ ｃ ｈ ． Ｅ ｎ ｇ ｒ ｇ ．
航 空航天
三维爆 震 引射增推性 能数值 计算及验证
秦 亚欣 高 歌
（ 中国航空研究 院 新技术研究所 ， 北京 １ ０ ０ ０ １ ２；
北京航空航天大学能源与动力工程学院 ， 北京 １ ０ ０ １ ９ １ ）
一
１ ５ ０～＋１ ５ ０ ｍ ｍ 。进 行模 拟 时将 问题分 为两部
分， 第一部分为爆震波离 开爆震室之前 ， 爆震参数
分 布利用 解析 的方 法 获得 。第 二 部 分 为爆 震 波
去关于引射 喷管的大部分研究都 是针对 主流为稳 态流而言 ， 其能量转换 取决于黏性 剪切混合 ； 而对 于脉冲爆震发动机引射喷管 ， 其 内部包含复 杂的气 动性能、 共振 现象及流体 间 的相互作 用 ， 使 工作过 程变得非常复杂 ， 关于脉冲爆 震引射增推 的气动原 理以及相关理论 目前还不是很成熟 ， 这为引射喷管
自适应 网格技术 ， 外 区网格尺寸逐渐增大。 采用 Ｓ Ｔ Ａ Ｎ Ｊ Ａ Ｎ程序对初始压力为 ０ ． １ Ｍ Ｐ ａ 、 初
始 温度 为 ３ ０ ０ Ｋ、 当量 比为 １ ． ０的 Ｃ ： Ｈ ／ Ａ ｉ ｒ 进 行 计
算， 可以得到爆震特性参数 ： 爆震 波速度 ． 、 压力
第１ ３卷
第３ ３期 ２ ０ １ ３年 １ １ 月
科
学
技
术
与
工
程
Ｖｏ １ ． １ ３ Ｎｏ ． ３ ３ Ｎ０ ｖ ．２ ０ １ ３
１ ６ ７ １ ～１ ８ １ ５ （ ２ ０ １ ３ ） ３ ３ — ９ ８ ５ ５ — ０ ８
Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ａ ｎ ｄ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
的合 理设 计 以及试 验 研 究 带 来 一 定 的阻 力 ， 所 以对
排出爆震室进入引射喷管和外区， 应用 Ｆ Ｌ Ｕ Ｅ Ｎ Ｔ软 件进行模拟 ； 采用三维轴对称非定常流动的 Ｎ ． ｓ 方 程来模拟流体动力学 过程 ； 为节省计算资 源 ， 只计 算轴对称模型中的 １ ／ ４ ， 计算网格如 图 １ 所示 ， 网格 数为 １ ３ 万左右 ， 引射 喷管在不同轴向位置时 ， 网格 数 略有不 同 ， 近壁 面 区域采 用 自适 应 Ｙ 网格 技 术 ，
气流（ 主射流） ， 引射环境二次气流（ 被引射气流 ） 来 提高推力， 发现优化排气引射增推装 置结构设计 可 使推力 增加 ５ ０ ％ ～１ ０ ０ ％＿ 】 ． ２ 。同样 ， 在Ｐ Ｄ Ｅ出 口
加上 引 射喷 管 ， 也 可 以有 效 地 提 高 其 推 进 性 能 。过
１ ４ ０ ｍ ｍ， 直一 扩引射 喷管长度为 ４ ５ ０ ｍ ｍ 。引射喷管 进 口相对爆 震 室 出 口的轴 向位 置 变化 范 围为
脉冲爆震引射 喷管 流场及其增推性 能的探索 性研
究 具 有 十分重 要 的意 义 。
型尺寸相等 ， 为了克服外界对喷管 出口和引射进 口
是研 究 人员 面 临的一 大挑 战 。国外 在 ２ Ｏ世 纪 ６ ０年 代 曾对 在 脉 冲发 动 机 出 口安 装 排 气 引 射 增 推 装 置 进 行过 研究 ， 利 用 脉 冲发 动 机 出 口高 速 不 稳 定 的 主
１ 研 究方法与模型
１ ． １ 数 值 方法 与模 型
计 算模 型采 用 与 试 验模 型相 等 的尺 寸 ， 爆 震 室 直径为 ５ ０ ｍｍ， 长度为 １ ０ ０ ０ ｍ ｍ， 引 射 喷 管 直 径 为
流场干扰的影响 ， 增加 了外区。计算 中采用 了梯度
２ ０ １ ３ 年１ Ｏ月 １ ２日收到 第一作者简介 ： 秦亚欣 （ １ ９ ８ ２ 一） ， 女， 河北石家庄人 ， 博士 ， 高级工程
师 。研究方 向 ： 脉 冲爆震燃烧相关 。Ｅ － ｍａ ｉ ｌ ： ｑ ｉ ｎ ｚ ｉ ７ ２ ４ ＠１ ６ ３ ． ｏ ｏ ｍ。
科
学
技
术
与
工
程
１ ３卷
趟
且 １ ＋ 一— ｌ Ｚ １ 一 Ｉ ｙ
一
图 １ 计 算 网格 不 意 图
Ｐ 、 温度 ， 波 后 燃烧 产 物 音 速 ｃ ， 推 力 壁 附 近压
一ｌ ｙ
力Ｐ ， 以及 比热比 。 将这些参数代入以下解析解公
式中， 得 到爆震 室 内气 体 速 度 、 压力 、 密度 以及 温 度 沿 轴 向的分 布情 况 ， 即爆 震 波解 析 解 。在 同样 条 件 下 应用 Ｆ Ｌ Ｕ Ｅ Ｎ Ｔ软件 对 Ｃ ： Ｈ２ ／ Ａ ｉ ｒ 混合 物 采用 １ ６组 分２ ５步反 应机 理 可 以算 出爆 震 室 内 的爆 震 参 数 分 布， 即爆 震波 数值 解 。从 图 ２可 以看 出用 解 析 解 法
关键 词
脉冲爆震 发动机 Ｖ ２ ３ １ ． ２ ２ ；
引射 喷管
推 力增量 Ａ
数值计算
中图法分类号文献标志码如何将 脉 冲爆震 发动 机 （ ｐ ｕ ｌ ｓ ｅ ｄ ｅ ｔ ｏ ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｅ ｎ ．
ｇ ｉ ｎ ｅ ， Ｐ Ｄ Ｅ ） 产生的脉冲力有效地转化为推进器推力
摘
要
对三维圆形爆震 室引射增推性 能进行 了数值模 拟和试 验验证 。应用数 值方 法对爆震 波衰退 为激 波后 的传播 、 排除
过程进行 了多循环模 拟； 分析 了三维爆 震波非稳态 引射流场 的变化过程； 得 到 了与 文献一致 的结果 。对 多循 环爆 震 引射过 程 的瞬 时推力 、 冲量 以及爆震 室出 口的质 量流量进行 了分析研 究。 Ｉ 射喷管在 不 同位 置处 时， 对爆震 室的推力 增量值进行 了对 比， 发 现在 引射喷管轴 向位置 Ｘ＝ ０ ｍｍ处 时推力增量达 到最大值 ， 试验验证 了这 一结论。
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２ ０ １ ３ Ｓ ｃ ｉ ． Ｔ ｅ ｃ ｈ ． Ｅ ｎ ｇ ｒ ｇ ．
航 空航天
三维爆 震 引射增推性 能数值 计算及验证
秦 亚欣 高 歌
（ 中国航空研究 院 新技术研究所 ， 北京 １ ０ ０ ０ １ ２；
北京航空航天大学能源与动力工程学院 ， 北京 １ ０ ０ １ ９ １ ）
一
１ ５ ０～＋１ ５ ０ ｍ ｍ 。进 行模 拟 时将 问题分 为两部
分， 第一部分为爆震波离 开爆震室之前 ， 爆震参数
分 布利用 解析 的方 法 获得 。第 二 部 分 为爆 震 波
去关于引射 喷管的大部分研究都 是针对 主流为稳 态流而言 ， 其能量转换 取决于黏性 剪切混合 ； 而对 于脉冲爆震发动机引射喷管 ， 其 内部包含复 杂的气 动性能、 共振 现象及流体 间 的相互作 用 ， 使 工作过 程变得非常复杂 ， 关于脉冲爆 震引射增推 的气动原 理以及相关理论 目前还不是很成熟 ， 这为引射喷管
自适应 网格技术 ， 外 区网格尺寸逐渐增大。 采用 Ｓ Ｔ Ａ Ｎ Ｊ Ａ Ｎ程序对初始压力为 ０ ． １ Ｍ Ｐ ａ 、 初
始 温度 为 ３ ０ ０ Ｋ、 当量 比为 １ ． ０的 Ｃ ： Ｈ ／ Ａ ｉ ｒ 进 行 计
算， 可以得到爆震特性参数 ： 爆震 波速度 ． 、 压力
第１ ３卷
第３ ３期 ２ ０ １ ３年 １ １ 月
科
学
技
术
与
工
程
Ｖｏ １ ． １ ３ Ｎｏ ． ３ ３ Ｎ０ ｖ ．２ ０ １ ３
１ ６ ７ １ ～１ ８ １ ５ （ ２ ０ １ ３ ） ３ ３ — ９ ８ ５ ５ — ０ ８
Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ａ ｎ ｄ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
的合 理设 计 以及试 验 研 究 带 来 一 定 的阻 力 ， 所 以对
排出爆震室进入引射喷管和外区， 应用 Ｆ Ｌ Ｕ Ｅ Ｎ Ｔ软 件进行模拟 ； 采用三维轴对称非定常流动的 Ｎ ． ｓ 方 程来模拟流体动力学 过程 ； 为节省计算资 源 ， 只计 算轴对称模型中的 １ ／ ４ ， 计算网格如 图 １ 所示 ， 网格 数为 １ ３ 万左右 ， 引射 喷管在不同轴向位置时 ， 网格 数 略有不 同 ， 近壁 面 区域采 用 自适 应 Ｙ 网格 技 术 ，
气流（ 主射流） ， 引射环境二次气流（ 被引射气流 ） 来 提高推力， 发现优化排气引射增推装 置结构设计 可 使推力 增加 ５ ０ ％ ～１ ０ ０ ％＿ 】 ． ２ 。同样 ， 在Ｐ Ｄ Ｅ出 口
加上 引 射喷 管 ， 也 可 以有 效 地 提 高 其 推 进 性 能 。过
１ ４ ０ ｍ ｍ， 直一 扩引射 喷管长度为 ４ ５ ０ ｍ ｍ 。引射喷管 进 口相对爆 震 室 出 口的轴 向位 置 变化 范 围为