化学反应机理对激波与可燃氢气泡相互作用影响的数值研究-计算物理.pdf

第３５卷 第４期 计　 　 算　 　 物　 　 理 Ｖｏｌ．３５，Ｎｏ．４ ２０１８年７月 　 ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＣＯＭＰＵＴＡＴＩＯＮＡＬ ＰＨＹＳＩＣＳ　 Ｊｕｌ． ，２０１８ 文章编号：１００１⁃２４６Ｘ（２０１８）０４⁃０３８８⁃０９ 化学反应机理对激波与可燃氢气泡相互作用 影响的数值研究 ∗ 王子昂，　 余　 彬，　 杭皓天，　 张　 斌 ，　 刘　 洪 （上海交通大学航空航天学院，上海　 ２００２４０） 摘　 要：通过含化学源项的Ｎａｖｉｅｒ⁃Ｓｔｏｋｅｓ方程对激波与可燃界面相互作用（ＲＳＢＩ）进行数值研究，讨论三种氢氧化 学反应机理对点火过程、燃烧效率和面积压缩率等物理化学特征的影响．三种化学反应分别为：Ｅｖａｎｓ⁃Ｓｃｈｅｘｎａｙｄｅｒ 反应模型（ＥＳ模型），Ｊａｃｈｉｍｏｗｓｋｉ反应模型（Ｊ模型）及ÓＣｏｎａｉｒｅ反应模型（Ó模型）．研究表明：ＥＳ模型下的气泡点 火延迟时间最大，平衡温度最低且点火位置异于Ｊ模型和Ó模型．采用无量纲面积来表征激波和燃烧作用气泡的 形变特征，结果表明：燃烧释热阶段的气泡面积对化学反应模型的选择非常敏感，其中Ｊ模型的面积膨胀率最高． 然而对于模拟长期发展的ＲＳＢＩ流场燃烧效率，不同化学反应模型之间的差异相对缩小． 由于ＥＳ模型难以准确捕 捉点火位置，Ｊ模型和Ó模型更适合模拟ＲＳＢＩ这类复杂流动的点火现象及燃烧流动耦合过程． 关键词：氢氧反应机理；超声速燃烧；激波与可燃气泡相互作用；燃烧流动耦合 中图分类号：Ｏ３５４５ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．１９５９６／ ｊ．ｃｎｋｉ．１００１⁃２４６ｘ．７６６５ ０　 引言 超燃冲压发动机在高马赫数飞行环境下具有明显的优势，目前已成为各航空航天大国研究和竞争的热 点．由于超燃环境中流场轴向速度过快，燃料无法与空气充分混合进行高效率地燃烧，引入沿轴向涡量可以 ［１］ ［２］ 有效地增强燃料和氧化物的混合效果 ．Ｍａｒｂｌｅ等人 提出的 Ｈｙｐｅｒｍｉｘｅｒ 产生典型方式：以射流方式喷入 的燃料通过激波后由于斜压效应产生轴向涡量从而进行混合燃烧，增强燃烧效率．这种定常的三维流场可以 ［３］ 类比为二维平面激波与气柱相互作用后的非定常问题（Ｓｈｏｃｋ Ｂｕｂｂｌｅ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ，简称 ＳＢＩ 问题） ． 目前ＳＢＩ ［４］ ［５－７］ 问题已通过实验 和数值模拟 进行了大量的研究． 然而在真实的超燃环境中，这种简单的物理模型应该考虑燃烧带来的效应，因此针对可燃的激波气泡相 互作用（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｓｈｏｃｋ Ｂｕｂｂｌｅ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ，简称 ＲＳＢＩ）近期也通过实验和数值模拟进行了研究．实验方面， ［８］ Ｈａｅｈｎ 给出激波和可燃重气的相互作用实验研究，发现激波和重气相互作用过程中会出现由热点（ｈｏｔ ｓｐｏｔ）产生的爆燃到爆轰转换现象（ｄｅｆｌａｇｒａｔｉｏｎ ｔｏ ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ），并且存在两种点火方式．数值计算方 ［９］ 面，Ｔｏｎ 采用８组分３７步反应模型数值计算了ＲＳＢＩ 问题，提出用激波诱导混合的概念来理解ＲＳＢＩ 的物理 ［１０］ 特征．Ｂｉｌｌｅｔ 采用９组分１９步氢气⁃空气反应模型计算 ＲＳＢＩ，发现体积粘性对于燃烧流场演化影响较大． ［１１］ Ｄｉｅｇｅｌｍａｎｎ 基于一个与压力相关的９组分１９反应模型（Ó反应模型）得出ＲＳＢＩ 的点火模式依赖于初始压