连续爆轰发动机性能分析研究(3)
第二种为斜爆轰波发动机，它非常适于吸气式高超声速发动机，而且要求发动机的飞行速度要比混合物爆轰的速度快。
第三种为连续爆轰波发动机（Continuous Detonation Wave Engines， CDWE）。这种发动机尤其适用于火箭工作模式，而不是吸气式工作模式。在火箭模式下的工作方式具有很诱人的前景，发动机能在很小的尺寸下产生很大的推力，并被认为是未来最有发展前途的新型空间推进系统之一。
由于连续爆轰发动机实质上是从根本改变现有发动机的燃烧本质，对燃烧室的一种革新设计，所以有可能意着动力发展的一个重大飞跃。其次，这种设计的构造十分简单，不需要压气机和涡轮。可以降低发动机复杂性，提高可靠性，减小成本，增加用途。如果与现有的成熟设备紧密联系，而且一旦证明有效，那么就可以立即对现有的喷气发动机、燃气轮机、火箭发动机进行升级，可以达到立杆见影的效果；相比脉冲爆轰发动机，连续流动的性质更符合现有的推进技术，结构简单也消除了典型的连续爆轰发动机中的一些问题。除了首次启动，还解决了点火和燃烧转爆轰问题，并且有害振动的影响也会减少，消除机械阀门和活动件，复杂性降低[2]。
连续爆轰发动机的概念长期被冷落，最近才在世界范围内重新受到重视，这也是缩短同发达国家动力技术水平差距的重要契机。
1.2 国内外研究现状
1.3 性能分析模型
在连续爆轰发动机发展过程中，非常需要对它的性能进行评估。一方面是由于需要与其他类型推进系统性能进行比较；另一方面是在研制这种发动机的过程中，又十分需要有一个准确可靠的性能分析方法。由于推进系统连续爆轰发动机特有的非定常流特性，不能用传统的热力学循环对它进行性能分析[3]。由于连续爆轰发动机依然是将热能转化为动能的装置，因此仍然可以看作是热机，从而可以用热机的热循环效率概念来描述连续爆轰发动机的系统性能，作为一种理论途径，热循环效率分析避开了燃烧室内复杂波系带来的研究困难，从能量方面定量评估连续爆轰发动机系统级别的性能，揭示了爆轰燃烧方式相对于等压燃烧，等容燃烧的优势，因而可以对数值计算和实验研究作出有意义的指导。
下面介绍两种研究方法：
1. 以连续计算仿真数值为基础的热力学循环分析。
在二文圆柱腔中连续爆轰发动机数值模拟[8]的基础上，对喷入流场中的流体微团进行跟踪，得到经历不同燃烧过程的微团轨迹图。着重观察爆轰波、爆燃波、斜激波和接触间断是怎样影响微团的运动轨迹和物理参量的变化。用数值模拟的方式分析连续爆轰发动机的热力学性质。
流场被近似为二文平面区域。推力墙处开有密集的拉瓦管型小孔，按当量比混合的氢/氧气从拉瓦管小孔沿轴线方向入射。在头部用一段一文C-J爆轰波起爆。当推力墙上压强大于来流总压时，头部设为反射边界条件；当推力墙上压强小于来流总压时，根据拉瓦喷管理论[10]计算入流条件。出口处采用无反射出流边界条件，松弛系数取为0.05。计算中，采用二文圆柱坐标系下守恒型的欧拉方程及Korobeinikov两步化学反应模型，混合气体假设为理想气体，忽略扩散、粘性和热传导。空间方向上采用五阶WENO格式，时间方向上采用四阶TVD Runge-Kutta格式[8]。
热力学性质的分析，将二文数值模拟结果、一文数值模拟结果与理论爆轰燃烧过程的示功图和示热图进行系统的比较，如图1.1 所示。数值模拟结果与理想爆轰模型定性地符合。微团与斜激波相遇导致曲线发生扰动，熵有所增加，但扰动仍然围绕在原来曲线的附近，示功图和示热图的大体趋势没有被改变，这说明斜激波虽然会使连续爆轰发动机的性能有一定损失，但这种损失并不是很明显。由示热图可见，数值模拟得到的膨胀过程并不是完全等熵的。由于二文计算中燃烧室尺寸较小，而且出口处没有连接尾喷管，微团在膨胀过程还没有完成的状况下就已经喷出管外。通过示功图和示热图可以计算出整个循环的净机械功和热效率[5]。