Аннотация.

Проведено трехмерное численное моделирование камеры сгорания двигателя с вращающейся детонационной волной (RDE), питаемого водородно-воздушными смесями различного состава. Двигатель с вращающейся детонационной волной - это новый тип двигателей, способных создавать более высокую тягу, чем традиционные, основанные на процессе дефлаграции горючей смеси. Динамический процесс сгорания в RDE более чем в 100 раз быстрее, чем в классическом режиме с медленным дефлаграционным сгоранием. Этот тип двигателя имеет более эффективный термодинамический цикл. В численных экспериментах были испытаны различные составы горючей смеси, и были получены различные сценарии работы двигателя. В вычислительной области использовалась регулярная сетка из однородных кубических элементов. Трудоемкие части числового кода были распараллелены с использованием техники OpenMP. Расчеты проводились на АПК-5 с максимальной производительностью 5,5 терафлопс.

Ключевые слова:

численное моделирование, детонационный двигатель, химическая кинетика, горение, детонация, камера сгорания.

Стр. 87-98.

DOI 10.14357/20718632190308

Полная версия статьи в формате pdf. 

Литература

1. Braun E. M., Lu F. K., Wilson D. R., Camberos J. A. Airbreathing rotating detonation wave engine cycle analysis // Aerospace Science and Technology. 2013. Vol. 27. P. 201–208.
2. Smirnov N. N., Betelin V. B., Nikitin V. F., Phylippov Y. G., Koo J. Detonation engine fed by acetylene-oxygen mixture // Acta Astronautica. 2014. Vol. 104. P. 134-146.
3. Norden C. A., Schwer D., Schauer F., Hoke B., Cetegen B., Barber T. Thermodynamic modeling of a rotating detonation engine // Proceedings of the 49th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition (AIAA 2011-0803). 2011.
4. Philippov Y. G., Dushin V. R., Nikitin V. F., Nerchenko V. A., Korolkova N. V., Guendugov V. M. Fluid mechanics of pulse detonation thrusters // Acta Astronautica. 2012. Vol. 76. P. 115-126.
5. Nikitin V. F., Dushin V. R., Phylippov Y. G., Legros J. C. Pulse detonation engines: Technical approaches // Acta Astronautica. 2009. Vol. 64. P. 281-287.
6. Tan S., Li Q., Xiao Z., Fu S. Gas kinetic scheme for turbulence simulation // Aerospace Science and Technology. 2018. Vol. 78. P. 214-227.
7. Kim J. W., Kwon O. J. Modeling of incomplete combustion in a scramjet engine // Aerospace Science and Technology. 2018. Vol. 78. P. 397-402.
8. Lin L., Weng C., Chen Q., Jiao H. Study on the effects of ionization seeds on pulse detonation // Aerospace Science and Technology. 2017. Vol. 71. P. 128-135.
9. Norden C. A., Schwer D., Schauer F., Hoke B., Cetegen B., Barber T. Thermodynamic modeling of a rotating detonation engine // Proceedings of the 49th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition (AIAA 2011-0803). 2011.
10. Wei L. Jin Z., Shijie L., Zhiyong L., Fengchen Z. Experimental study on propagation mode of H2/Air continuously rotating detonation wave // International Journal of Hydrogen Energy. 2015. Vol. 40. P. 1980-1993.
11. Voitsekhovskii B. V. Stationary detonation // Doklady Akademii Nayk. 1959. Vol. 129 (6). P. 1254-1256.
12. Nicholls J.A., Cullen R. E., Ragland K. W. Feasibility Studies of a Rotating Detonation Wave Rocket Motor // Journal of Spacecraft and Rockets. 1966. Vol. 3 (6). P. 893-898.
13. Bykovskii F. A., Mitrofanov V. V., Vedernikov E. F. Continuous Detonation Combustion of Fuel-Air Mixtures // Combustion, Explosion, and Shock Waves. 1997. Vol. 33 (3). P. 344-353.
14. Bykovskii F. A., Vedernikov E. F. Continuous Detonation of a Subsonic Flow of a Propellant // Combustion, Explosion, and Shock Waves. 2003. Vol. 39 (3). P. 323-334.
15. Bykovskii F. A., Zhdan S. A., Vedernikov E. F. Continuous Spin Detonations // Journal of Propulsion and Power. 2006. Vol. 22 (6). P. 1204-1216.
16. Bykovskii F. A., Zhdan S. A., Vedernikov E. F. Continuous Spin Detonation in Ducted Annular Combustors // Application of Detonation to Propulsion, edited by G. Roy et al, Torus Press. 2004. P. 174-179.
17. Kindracki J., Wolanski P., Gut Z. Experimental Research on the Rotating Detonation in Gaseous Fuels-OxygenMixtures // Shock Waves. 2011. Vol. 21. P. 75-84.
18. Zhdan S. A., Bykovskii F. A., Vedernikov E. F. Mathematical Modeling of a Rotating Detonation Wave in a Hydrogen- Oxygen Mixture // Combustion, Explosion, and Shock Waves. 2007. Vol. 43 (4). P. 449-459.
19. Shijie L., Zhiyong L., Weidong L., Wei L., Fengchen Z. Experimental Realization of H2/air Continuous Rotating Detonation in a Cylindrical Combustor // Combustion Science and Technology. 2012. Vol. 184 (9). P. 1302-1317.
20. Shijie L., Weidong L., Zhiyong L., Wei L. Experimental Research on the Propagation Characteristics of Continuous Rotating Detonation Wave Near the Operating Boundary // Combustion Science and Technology. 2015. Vol. 187. P. 1790-1804.
21. Jian S., Jin Z., Shijie L., Zhiyong L., Jianhua C. Effects of injection nozzle exit width on rotating detonation engine // Acta Astronautica. 2017. Vol. 140. P. 388-401.
22. Jianping W., Yetao S. Rotating Detonation Engine Injection Velocity Limit and Nozzle Effects on Its Propulsion Performance // Computational Fluid Dynamics. 2010. P. 789-795.
23. Yetao S., Meng L., Jianping W. Continuous Detonation Engine and Effects of Different Types of Nozzle on Its Propulsion Performance // Chinese Journal of Aeronautics. 2010. Vol. 23. P. 647-652.
24. Jie C., Dong W., Hu M., Ji-yang D., Dong-liang Y. Influence of axial length on rotating detonation engine // Journal of Aerespace Power. 2013. Vol. 28 (4). P. 844-849.
25. CHEMKIN. A software package for the analysis of gasphase chemical and plasma kinetics. CHE-036-1. Chemkin collection release 3.6. Reaction Design, September 2000.
26. Marinov N., Pitz W., Westbrook C., Hori M., Matsunaga N. An Experimental and Kinetic Calculation of the Promotion Effect of Hydrocarbons on the NO-NO2 Conversion in a Flow Reactor // Proceedings of the Combustion Institute. 1998. Vol. 27. P. 389-396.
27. Kee R. J., Miller J. A., Jefferson T. H. Chemkin: a general-purpose, problem-independent, transportable Fortran chemical kinetics code package. Sandia National Laboratories Report SAND80-8003. 1980.
28. Wilcox D.C. Turbulence modeling for CFD. DCW Industries, Inc. La Canada, 1993.
29. Transport. A software package for the evaluation of gasphase, multicomponent transport properties. TRA-036-1, CHEMKIN collection, 2000.
30. Maas U., Pope S. B. Simplifying chemical kinetics: intrinsic low-dimensional manifolds in composition space // Combustion and Flame. 1992. Vol. 88. P. 239-264.
31. van Leer B. Towards the Ultimate Conservative Difference Scheme. A Second Order Sequel to Godunov's Method // J. Com. Phys. 1979. Vol. 32. P. 101–136.
32. Liou M.-S. A Sequel to AUSM: AUSM+ // J. Comput. Phys. 1996. Vol. 129. P. 364- 382.
33. Fletcher C.A.J. Computational Techniques for Fluid Dynamics I Fundamental and General Techniques. Springer- Verlag Berlin Heidelberg GmbH, 2006.
34. Smirnov N. N., Nikitin V. F., Stamov L. I., Altoukhov D. I. Supercomputing simulations of detonation of hydrogenair mixtures // International Journal of Hydrogen Energy. 2015. Vol. 40 (34). P. 11059–11074.
35. Smirnov N. N., Penyazkov O. G., Sevrouk K. L., Nikitin V. F., Stamov L. I., Tyurenkova V. V. Detonation onset following shock wave focusing // Acta Astronautica. 2017. Vol. 135. P. 114–130.
36. Smirnov N. N., Betelin V. B., Nikitin V. F., Stamov L. I., Altoukhov D. I. Accumulation of errors in numerical simulations of chemically reacting gas dynamics // Acta Astronautica. Vol. 117. P. 338–355.