Процесс интенсификации горения воздушно-водородной смеси в канале с помощью струи воздуха
Опубликовано: 14.11.2018
Авторы: Замураев В.П., Калинина А.П.
Опубликовано в выпуске: #11(83)/2018
DOI: 10.18698/2308-6033-2018-11-1819
Раздел: Авиационная и ракетно-космическая техника | Рубрика: Аэродинамика и процессы теплообмена летательных аппаратов
Проведено численное моделирование запуска прямоточного воздушно-реактивного двигателя способом без значительных потерь полного давления. Этот способ обеспечивает переход к околозвуковому режиму в камере сгорания с помощью струи воздуха при распределенной подаче топлива по длине камеры. Принципиальным является наличие струи сжатого воздуха, создающей эффект дросселя, и предварительное торможение потока до околозвуковых скоростей. Представлены CFD-расчеты для моделирования торможения потока до околозвуковых скоростей в рамках гипотезы о низких значениях турбулентной кинетической энергии. Решены осредненные уравнения Навье — Стокса, замыкаемые моделью турбулентности k—w SST. Горение водорода смоделировано одной реакцией. Получен пульсирующий режим: тепловыделение при сгорании водорода повышает давление и блокирует его втекание, затем область повышенного давления смещается вниз по потоку, поступает новая порция водорода, идет процесс воспламенения и т. д. Определяющую роль в воспламенении водорода играет ударная волна, вызванная струей воздуха. Горение протекает в зонах отрыва, вихревых зонах и пограничном слое. Для рассматриваемых каналов численно показана возможность торможения потока в канале с числом Маха М = 2 до околозвуковых скоростей, что обусловливает реализацию горения в расширяющейся части канала
Литература
[1] Третьяков П.К., Забайкин В.А., Прохоров А.Н. Высокоскоростной ПВРД с пульсирующим режимом запуска. Сб. докладов ХI Всероссийского съезда по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики: Казань, Издательство Казанского университета, 2015, c. 3778–3780. URL: http://www.itam.nsc.ru/upload/iblock/9f5/01318.pdf
[2] Abashev V.M., Korabelnikov A.V., Kuranov A.L., Tretyakov P.K. Increase in the Efficiency of a High-Speed Ramjet on Hydrocarbon Fuel at the Flying Vehicle Acceleration up to M = 6+. AIP Conference Proceedings, 1893, 020005 (2017). DOI:10.1063/1.5007443
[3] Фролов С.М., Звегинцев В.И., Иванов В.С., Аксенов В.С., Шамшин И.О., Внучков Д.А., Наливайченко Д.Г., Берлин А.А., Фомин В.М. Макет-демонстратор непрерывно-детонационного прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Результаты испытаний в аэродинамической трубе. Доклады Академии наук, 2017, т. 474, № 1, с. 51–55. URL: http://www.frolovs.ru/pdf/2017-8-rus.pdf (дата обращения 25.11.2017).
[4] Гурылева Н.В., Иванькин М.А., Лапинский Д.А., Тимошенко В.И. Исследование особенностей течений в каналах при взаимодействии возмущений с псевдоскачком. Уч. записки ЦАГИ, 2012, т. XLIII, № 6, с. 40–54. URL: http://www.tsagi.ru/institute/publications/memoirs/archive_annotations/2012/%D0%A3%D0%97-6-2012.pdf (дата обращения 25.11.2017).
[5] Seleznev R.K. Comparison of Two-Dimensional and Quasi-One-Dimensional Scramjet Models by the Example of VAG Experiment. Journal of Physics: Conference Series, 2017, vol. 815, no. 1, pp. 012007. DOI: 10.1088/1742-6596/815/1/012007
[6] O’Brianta S.A., Guptab S.B., Vasua S.S. Review: laser Ignition for Aerospace Propulsion. Propulsion and Power Research, 2016, vol. 5, no. 1, pp. 1–21. DOI: 10.1016/j.jppr.2016.01.004
[7] Firsov A., Savelkin K.V., Yarantsev D.A., Leonov S.B. Plasma-enhanced Mixing and Flameholding in Supersonic flow. Philosophical Transactions: Mathematical, Physical and Engineering Sciences (Series A), 2015, vol. 373, no. 2048, pp. 20140337. DOI: 10.1098/rsta.2014.0337
[8] Firsov A.A., Shurupov M.A., Yarantsev D.A., Leonov S.B. Plasma-assisted Combustion in Supersonic Airflow: Optimization of Electrical Discharge Geometry. Paper AIAA-2014-0988. DOI: 10.2514/6.2014-0988
[9] Bezgin L.V., Kopchenov V.I., Starik A.M., et al. Numerical Analysis of Combustion of a Hydrogen-air Mixture in an Advanced Ramjet Combustor Model During Activation of O2 Molecules by Resonant Laser Radiation. Combustion explosion and shock waves, 2017, vol. 53, no. 3, pp. 249–261. DOI: 10.7868/S0869565217130114
[10] Zhao Z., Li J.-M., Zheng J., Cui Y.D., Khoo B.C. Study of Shock and Induced Flow Dynamics by Nanosecond Dielectric-barrier-discharge Plasma Actuators. AIAA J. 2015, vol. 53, no. 5, pp. 1336–1348. DOI: 10.2514/1.J053420
[11] Zamuraev V.P., Kalinina A.P. Effect of Surface Energy Pulses on Supersonic Flow in a Channel of Variable Cross Section. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2016, vol. 89, no. 3, pp. 688–694. DOI: 10.1007/s10891-016-1427-3
[12] Журавская Т.А., Левин В.А. Стабилизация детонационного горения высокоскоростного потока горючей газовой смеси в плоском канале. Изв. РАН. МЖГ, 2015, № 2, с. 117–128.
[13] Wolanski P. Detonative propulsion. Proceedings of the Combustion Institute, 2013, vol. 34, pp. 125–158. DOI: 10.1016/j.proci.2012.10.005
[14] Фролов С.М., Дубровский А.В., Иванов В.С. Трехмерное численное моделирование рабочего процесса в камере сгорания с непрерывной детонацией. Хим. физика, 2012, т. 31, № 3, с. 32–45. URL: http://www.frolovs.ru/pdf/2012-1-rus.pdf (дата обращения 25.11.2017).
[15] Liang Jin, Jing Lein, Wei Huang, Zhen-guo Wang. Numerical Investigation on Hydrogen Combustion in a Scramjet with 3D side Wall Compression inlet. Acta Astronautica, 2014, vol. 105, pp. 298–310. DOI: 10.1016/j.actaastro.2014.09.008
[16] Anazadehsayeda A., Barzegar Gerdroodbaryb M., Aminic Y., Moradid R. Mixing Augmentation of Transverse Hydrogen Jet by Injection of Micro Air Jets in Supersonic Crossflow. Acta Astronautica, 2017, vol. 137, pp. 403–414 DOI: 10.1016/j.actaastro.2017.05.007
[17] Barzegar Gerdroodbarya M., Keivan Fallahb, Pourmirzaaghac H. Characteristics of Transverse Hydrogen Jet in Presence of Multi Air Jets Within Scramjet Combustor. Acta Astronautica, 2017, vol. 132, pp. 25–32. DOI: 10.1016/j.actaastro.2016.11.041
[18] Гудич И.Г., Жуков В.Т., Мануковский К.В., Новикова Н.Д., Рыков Ю.Г., Феодоритова О.Б. Численное моделирование высокоскоростной камеры сгорания с использованием пакета OpenFOAM. ИПМ им. М.В. Келдыша. Препринт, 2016, № 10, 32 с. DOI: 10.20948/prepr-2016-10
[19] Селезнев Р.К., Суржиков С.Т. Нестационарные газодинамические процессы в прямоугольном канале ГПВРД с периодическим вдувом холодного воздуха. Физико-химическая кинетика в газовой динамике, 2015, т. 16. № 3, с. 1–6. URL: http://chemphys.edu.ru/issues/2015-16-3/articles/495/ (дата обращения 25.11.2017).
[20] Замураев В.П., Калинина А.П. О возможности создания устойчивой околозвуковой области в сверхзвуковом потоке в канале. Тепловые процессы в технике, 2016, т. 8, № 7, с. 292–296.
[21] Zamuraev V.P., Kalinina A.P. Study of the Geometry Effect of the Channel with Variable Cross Section under Forming Transonic Region in the Supersonic Flow with Energy Supply. Journal of Physics: Conference Series, 2017, vol. 894, no. 1, pp. 012118. DOI: 10.1088/1742-6596/894/1/012118
[22] Фирсов А.А., Яранцев Д.А., Леонов С.Б., Иванов В.В. Численное моделирование горения этилена в сверхзвуковом потоке воздуха. Компьютерные исследования и моделирование, 2017, т. 9, № 1, с. 75–86. URL: https://tesis.com.ru/infocenter/downloads/flowvision/fv_es15_11.pdf (дата обращения 25.11.2017).
[23] Ombrello T., Carter C., McCall J., Kuang-Yu Hsu. Enhanced Mixing in Supersonic Flow Using a Pulse Detonator. Journal of propulsion and power, 2015, vol. 31, no. 2, pp. 654–663. DOI: 10.2514/1.B35316
[24] Cecere D., Giacomazzi E., Ingenito A. A Review on Hydrogen Industrial Aerospace Applications. International journal of hydrogen energy, 2014, vol. 39, pp. 10731–10747. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2014.04.126
[25] Yue Liu, Xiaorong Guan, Cheng Xu. A Production Limiter Study of SST-SAS Turbulence Model for Bluff Body Flows. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics, 2017, vol. 170, pp. 162–178. DOI: 10.1016/j.jweia.2017.08.014