[论文解读] Modelling Rotating Detonative Combustion Fueled by Partially Pre-vaporized n-Heptane Sprays

Majie Zhao, Huangwei Zhang|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2020

Combustion and Detonation Processes参考文献 3被引用 6

一句话总结

本研究通过欧拉-拉格朗日模拟方法，对部分预汽化的正庚烷喷雾在旋转爆震燃烧（RDC）中的行为进行建模，揭示了液滴尺寸与当量比对爆轰速度、燃料消耗率及燃烧模式具有关键影响。最优比冲出现在5–20 µm液滴尺寸范围内，与气态工况相比，爆轰速度降低2–18%，峰值出现在20 µm液滴直径处。

ABSTRACT

Eulerian-Lagrangian simulations are conducted for two-dimensional Rotating Detonative Combustion (RDC) fueled by partially prevaporized n-heptane sprays. The influences of droplet diameter and total equivalence ratio on detonation combustion and droplet dynamics are studied. It is found that small n-heptane droplets (e.g. 5 um) are completely vaporized around the detonation wave, while intermediate n-heptane droplets (e.g. 20 um) are consumed in or behind the detonation wave, with the escaped ones be continuously evaporated and deflagrated. The droplet distributions in the RDE combustor are significantly affected by the droplet evaporation behaviors. Mixed premixed and non-premixed combustion modes are seen in two-phase RDC. The detonated fuel fraction is high when the droplet diameters are small or large, reaching its minimal value with diameter being 20 um. The detonation propagation speed decreases with increased droplet diameter and is almost constant when the diameter is larger (> 30 um). The velocity deficits are 2-18% compared to the respective gaseous cases. Moreover, the propagation speed increases as the total equivalence ratio increases for the same droplet diameter. It is also found that the detonation propagation speed and detonated fuel fraction are considerably affected by the pre-vaporized gas equivalence ratio. The specific impulse first decreases for cases with initial diameter less than 5 μm, then increases with droplet diameter between 5 μm and 20 μm, and finally decreases with droplet diameter larger than 20 μm.

研究动机与目标

• 研究液滴直径与总当量比对部分预汽化正庚烷燃料旋转爆震发动机（RDEs）中爆轰传播的影响。
• 分析液滴蒸发与燃烧行为如何影响两相流动力学及RDC中燃烧模式的转变。
• 量化预汽化气体当量比对爆轰性能与比冲的影响。
• 确定在维持稳定爆轰传播的前提下，实现最大比冲的最优液滴尺寸。

提出的方法

• 采用欧拉-拉格朗日计算流体动力学（CFD）模拟方法，对二维旋转爆震燃烧中正庚烷喷雾进行建模。
• 通过拉格朗日粒子追踪方法追踪液滴动力学，蒸发过程采用质量传递关联式建模。
• 燃烧模型基于局部燃料-空气混合物组成，结合预混与非预混（扩散）火焰燃烧机制。
• 采用反应型欧拉框架与快速反应模型，模拟爆轰波传播。
• 系统性地改变总当量比与预汽化气体当量比，评估其对性能指标的影响。
• 基于模拟得到的推力与燃料消耗率，计算比冲。

实验结果

研究问题

• RQ1 在部分预汽化正庚烷的两相RDC中，液滴直径如何影响爆轰传播速度与燃料分数？
• RQ2 液滴蒸发与燃烧行为在塑造RDE中液滴分布与燃烧模式方面发挥何种作用？
• RQ3 预汽化气体当量比如何影响两相RDC中的爆轰速度与比冲？
• RQ4 在部分预汽化正庚烷RDC中，何种液滴直径可使比冲达到最大值？
• RQ5 总当量比的变化如何影响爆轰稳定性及爆轰速度、燃料分数等性能指标？

主要发现

• 小尺寸正庚烷液滴（5 µm）在爆轰波周围完全汽化，中等尺寸液滴（20 µm）在波前或波后被消耗，未燃尽液滴则持续蒸发并发生火焰传播。
• 随着液滴直径增大，爆轰传播速度下降，当直径超过30 µm后趋于恒定，与气态工况相比，速度损失为2–18%。
• 在20 µm液滴直径时，已爆轰燃料分数达到最低值，表明该尺寸下燃烧效率最低。
• 比冲在液滴尺寸小于5 µm时先下降，随后在5–20 µm范围内上升，之后在大于20 µm时再次下降，表明性能最优区间位于5–20 µm之间。
• 在相同液滴直径下，总当量比越高，爆轰速度越大，且该速度显著受预汽化气体当量比影响。
• 在两相RDC中观察到预混与非预混燃烧模式的混合行为，燃烧特性强烈依赖于液滴蒸发动力学。