Numerical simulations of flow field of rotating detonation engine fueled by kerosene

Fan YANG; Yuhui WANG; Shiquan LI; Guoqing ZHANG

doi:10.13224/j.cnki.jasp.20210339

Chinese

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Numerical simulations of flow field of rotating detonation engine fueled by kerosene

Combustion,Heat and Mass Transfer | 更新时间：2025-03-14

- Numerical simulations of flow field of rotating detonation engine fueled by kerosene
- Journal of Aerospace Power Vol. 37, Issue 8, Pages: 1620-1632(2022)
- 作者机构：
  
  1.北京化工大学机电工程学院，北京 100029
  2.北京理工大学宇航学院，北京 100081
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.13224/j.cnki.jasp.20210339
  CLC：
- 稿件说明：
移动端阅览
Fan YANG, Yuhui WANG, Shiquan LI, et al. Numerical simulations of flow field of rotating detonation engine fueled by kerosene[J]. Journal of Aerospace Power, 2022, 37(8): 1620-1632.
DOI：

Fan YANG, Yuhui WANG, Shiquan LI, et al. Numerical simulations of flow field of rotating detonation engine fueled by kerosene[J]. Journal of Aerospace Power, 2022, 37(8): 1620-1632. DOI： 10.13224/j.cnki.jasp.20210339.

摘要

为了深入研究气液两相旋转爆轰发动机的流场结构，建立了非定常两相爆轰的Eulerian⁃Lagrangian模型，使用SST（shear⁃stress transport）

k⁃ω

模型，采用一步反应机理的化学反应模型，进行了煤油/空气非预混的二维数值模拟。结果表明，采用30 μm粒径的液滴颗粒，在来流总温1 000 K的空气流中，液滴经历雾化破碎、蒸发、混合过程，在当量比0.70~1.15范围，形成稳定单个旋转爆轰波；煤油液滴被爆轰波扫过后未完全燃烧，部分煤油组分混杂在高温产物中沿下游排出；在燃烧室入口处，爆轰波前形成的空气三角形区域面积大于液滴颗粒三角形区域。

Abstract

In order to study the flow field of gas⁃liquid two⁃phase rotating detonation engine，a Eulerian⁃Lagrangian model of unsteady two⁃phase detonation was established.Using the SST （shear stress transport）

k⁃ω

model and the chemical reaction model based on the one⁃step reaction mechanism，the two⁃dimensional non⁃premixed numerical simulations of kerosene and air rotating detonation engines were carried out.The results showed that the droplet particles of 30 μm were atomized，broken，evaporated and mixed in the air flow at the total inlet temperature of 1 000 K，and a stable single rotating detonation wave was formed within the equivalence ratio range of 0.70 to 1.15.The kerosene droplets were not completely burned by the detonation wave，and a part of the kerosene was mixed in the high temperature products and discharged downstream.Near the inlet of combustion chamber，the air triangle formed in front of the detonation wave was larger than the droplet triangle.

关键词

Keywords

references

TANG X M ， WANG J P ， SHAO Y T . Three dimensional numerical investigations of the rotating detonation engine with a hollow combustor [J]. Combustion and Flame ， 2015 ， 162 （ 4 ）: 997 ⁃ 1008 .

LEI Z D ， CHEN Z W ， YANG X Q ， et al . Operational mode transition in a rotating detonation engine [J]. Journal of Zhejiang University （Science A）， 2020 ， 21 （ 9 ）: 721 ⁃ 733 .

JI Z F ， ZHANG H Q ， WANG B . Thermodynamic perfor⁃ mance analysis of the rotating detonative airbreathing combined cycle engine [J]. Aerospace Science and Technology ， 2021 ， 113 : 106694.1 ⁃ 106694.17 .

YANG X K ， SONG F L ， WU Y ， et al . Investigation of rotating detonation fueled by a methane‑hydrogen‑carbon dioxide mixture under lean fuel conditions [J]. International Journal of Hydrogen Energy ， 2020 ， 45 （ 41 ）: 21995 ⁃ 22007 .

BENNEWITZ J W ， BLAINE B R ， PILGRAM J J ， et al . Modal transitions in rotating detonation rocket engines [J]. International Journal of Energetic Materials and Chemical Propulsion ， 2019 ， 18 （ 2 ）: 91 ⁃ 109 .

FOTIA M L ， KAEMMING T A ， HOKE J ， et al . Study of the experimental performance of a rotating detonation engine with nozzled exhaust flow [R]. AIAA⁃2015⁃0631 , 2015 .

FOTIA M ， SCHAUER F ， HOKE J . Experimental study of performance scaling in rotating detonation engines operated on hydrogen and gaseous hydrocarbon fuel [R]. AIAA⁃2015⁃ 3626 , 2015 .

FROLOV S M ， AKSENOV V S ， IVANOV V S . Experi⁃ mental proof of Zel'dovich cycle efficiency gain over cycle with constant pressure combustion for hydrogen⁃oxygen fuel mixture [J]. International Journal of Hydrogen Energy ， 2015 ， 40 （ 21 ）: 6970 ⁃ 6975 .

WANG Y H ， LE J L . Rotating detonation engines with two fuel orifice schemes [J]. Acta Astronautica ， 2019 ， 161 : 262 ‑ 275 .

RANKIN B A ， RICHARDSON D R ， CASWELL A W ， et al . Imaging of OH * chemiluminescence in an optically accessible nonpremixed rotating detonation engine [R]. AIAA⁃2015⁃1604 ， 2015 .

RANKIN B A ， CHRISTOPHER A ， et al . Evaluation of mixing processes in a non⁃premixed rotating detonation engine using acetone PLIF imaging [R]. AIAA‑2016‑1198 ， 2016 .

THEUERKAUF S W ， SCHAUER F R ， ANTHONY R . et al.Comparison of simulated and measured instantaneous heat flux in a rotating detonation engine [R]. AIAA⁃2016⁃1200 ， 2016 .

马虎 , 张义宁 , 杨成龙，等 . 燃料分布对旋转爆震波传播特性影响 [J]. 航空动力学报， 2019 ， 34 （ 3 ）: 513 ⁃ 520 .

MA Hu ， ZHANG Yining , YANG Chenglong ， et al . Effect of fuel distribution on propagation of rotating detonation wave [J]. Journal of Aerospace Power ， 2019 , 34 （ 3 ）: 513 ⁃ 520 . （in Chinese）

徐雪阳 , 卓长飞 , 武晓松，等 . 非预混喷注对旋转爆震发动机影响的数值研究 [J]. 航空学报 , 2016 , 37 （ 4 ）: 1184 ⁃ 1195 .

XU Xueyang ， ZHUO Changfei ， WU Xiaosong ， et al . Numerical simulation of injection schemes with separate supply of fuel and oxidizer effects on ratating detonation engine [J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica , 2016 , 37 （ 4 ）: 1184 ⁃ 1195 . （in Chinese）

刘世杰 , 林志勇 , 刘卫东 , 等 . 旋转爆震波发动机二维数值模拟 [J]. 推进技术 , 2010 ， 31 （ 5 ）: 634 ⁃ 640 .

LIU Shijie ， LIN Zhiyong ， LIU Weidong ， et al . Two⁃dimensional numerical simulation of rotating detonation wave engine [J]. Journal of Propulsion Technology ， 2010 ， 31 （ 5 ）: 634 ⁃ 640 . （in Chinese）

BATISTA A ， ROSS M ， LIETZ C ， et al . Detonation wave interaction classifications in a rotating detonation rocket engine [R]. AIAA⁃2020⁃3861 ， 2020 .

PAL P ， XU C . KUMAR G , et al . Large⁃eddy simula⁃ tions and mode analysis of ethylene/air combustion in a non⁃premixed rotating detonation engine [R]. AIAA‑2020‑3876 ， 2020 .

邵业涛 , 王健平 , 唐新猛 , 等 . 连续旋转爆轰发动机流场三维数值模拟 [J]. 航空动力学报 , 2010 , 25 （ 8 ）: 1717 ⁃ 1722 .

SHAO Yetao ， WANG Jianping ， TANG Xinmeng ， et al . Three⁃dimensional numerical simulation of continuous rotating detonation engine flowfields [J]. Journal of Aerospace Power ， 2010 ， 25 （ 8 ）: 1717 ⁃ 1722 . （in Chinese）

邵业涛 , 王健平 , 李韶武 , 等 . 空心圆筒内连续旋转爆轰波三维数值模拟 [C]∥ 第十四届全国激波与激波管学术会议论文集 . 安徽黄山 : 中国力学学会， 2010 : 181 ⁃ 188 .

SUN J ， ZHOU J ， LIU S J ， et al . Numerical investigation of a non⁃premixed hollow rotating detonation engine [J]. International Journal of Hydrogen Energy ， 2019 ， 44 （ 31 ）: 17084 ⁃ 17094 .

PAXSON D E ， FOTIA M L ， HOKE J ， et al . Comparison of numerically simulated and experimentally measured performance of a rotating detonation engine [R]. AIAA⁃2015⁃1011 ， 2015 .

WANG F ， WENG C S ， WU Y W ， et al . Numerical research on kerosene/air rotating detonation engines under different injection total temperatures [J]. Aerospace Science and Technology ， 2020 ， 103 : 105899.1 ⁃ 105899.15 .

李宝星 , 许桂阳 , 舒慧明 , 等 . 燃烧室轴向和周向长度对气液两相旋转爆轰特性的影响 [J]. 航空动力学报 , 2020 , 35 （ 8 ）: 1601 ⁃ 1611 .

LI Baoxing ， XU Guiyang ， SHU Huiming ， et al . Influence of axial and circumferential lengths of combustion chamber on gas⁃liquid two⁃phase rotating detonation characteristics [J]. Journal of Aerospace Power ， 2020 ， 35 （ 8 ）： 1601 ⁃ 1611 . （in Chinese）

ZHAO N B ， MENG Q Y ， ZHENG H T ， et al . Numerical study of the influence of annular width on the rotating detonation wave in a non⁃premixed combustor [J]. Aerospace Science and Technology ， 2020 ， 100 : 105825.1 ⁃ 105825.12 .

MENG Q ， ZHAO N ， ZHENG H ， et al . A numerical study of rotating detonation wave with different numbers of fuel holes [J]. Aerospace Science and Technology ， 2019 ， 93 : 105301.1 ⁃ 105301.17 .

周蕊 , 李晓鹏 . 连续旋转爆轰发动机冷流场的混合特性研究 [J]. 航空学报 , 2016 , 37 （ 12 ）: 3668 ⁃ 3674 .

ZHOU Rui ， LI Xiaopeng . Numerical investigation of mixing characteristic of cold continuously rotating detonation engine [J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica , 2016 , 37 （ 12 ）: 3668 ⁃ 3674 . （in Chinese）

LI J M ， CHANG P H ， LI L ， et al . Investigation of injection strategy for liquid⁃fuel rotating detonation engine [R]. AIAA⁃2018⁃0403 ， 2018 .

BYKOVSKII F A ， ZHDAN S A ， VEDERNIKOV E F . Continuous spin detonation of a heterogeneous kerosene‑air mixture with addition of hydrogen [J]. Combust Explos Shock Waves ， 2016 , 52 （ 3 ）: 371 ‑ 373 .

BYKOVSKII F A ， ZHDAN S A ， VEDERNIKOV E F . Continuous detonation of the liquid kerosene‑air mixture with addition of hydrogen or syngas [J]. Combust Explos Shock Waves ， 2019 ， 55 （ 5 ）: 589 ‑ 598 .

ZHENG Q ， MENG H L ， WENG C S ， et al . Experimental research on the instability propagation characteristics of liquid kerosene rotating detonation wave [J]. Defence Technology ， 2020 ， 16 （ 6 ）: 1106 ⁃ 1115 .

KINDRACKI J . Experimental research on rotating detonation in liquid fuel‑gaseous air mixtures [J]. Aerospace Science and Technology ， 2015 ， 43 : 445 ⁃ 453 .

DABORA E K . A model for spray detonations [J]. Acta Astronautica ， 1979 , 6 （ 3 ）: 269 ⁃ 280 .

GUBIN S A ， SICHEL M . Calculation of the detonation velocity of a mixture of liquid fuel droplets and a gaseous oxidizer [J]. Combustion Science and Technology ， 1977 , 17 （ 3/4 ）: 109 ⁃ 117 .

MENG Q Y ， ZHAO M J ， ZHENG H T ， et al . Eulerian⁃Lagrangian modelling of rotating detonative combustion in partially pre⁃vaporized n⁃heptane sprays with hydrogen addition [J]. Fuel ， 2021 , 290 : 119808.1 ⁃ 119808.17 .

EIDELMAN S ， BURCAT A . The mechanism of a detonation wave enhancement in a two⁃phase combustible medium [J]. Symposium （International） on Combustion ， 1981 ， 18 （ 1 ）: 1661 ⁃ 1670 .

HUANG Z W ， ZHAO M J ， XU Y ， et al . Eulerian⁃Lagrangian modelling of detonative combustion in two⁃phase gas⁃droplet mixtures with OpenFOAM:validations and verifications [J]. Fuel ， 2021 , 286 : 119402.1 ⁃ 119402.16 .

黄生洪 , 徐胜利 , 刘小勇 . 煤油超燃冲压发动机两相流场数值模拟：Ⅰ 数值校验及总体流场特征 [J]. 推进技术 , 2004 , 25 （ 6 ）： 484 ⁃ 490 .

HUANG Shenghong ， XU Shengli ， LIU Xiaoyong . Numerical investigation on two phase flow of a kerosene⁃fueled scramjet with 3D cavity:Ⅰ numerical calibration and characteristics of general flow [J]. Journal of Propulsion Technology ， 2004 ， 25 （ 6 ）: 484 ⁃ 490 . （in Chinese）

KAILASANATH K . Liquid⁃fueled detonations in tubes [J]. Journal of Propulsion and Power ， 2006 , 22 （ 6 ）: 1261 ⁃ 1268 .

WANG Y H ， WANG J P ， QIAO W Y . Effects of thermal wall conditions on rotating detonation [J]. Computers and Fluids ， 2016 ， 140 : 59 ⁃ 71 .

阎宝林 , 张义宁 , 宫继双 , 等 . 液态碳氢燃料连续旋转爆震燃烧实验研究 [R]. 长沙 : 第五届爆震与新型推进学术会议 , 2017 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Influence of axial and circumferential lengths of combustion chamber on gas-liquid two-phase rotating detonation characteristics,

Experiment on laminar combustion characteristics of n-tetradecane

Influence of equivalence ratio on characteristics of continuously rotating detonation combustor

Analysis of impact factor of ignition characteristics and activation energies about liquid propulsion fuel

Influence of group-hole nozzles on spray and combustion of an opposed piston opposed cylinder diesel engine

Related Author

LI Baoxing

XU Guiyang

SHU Huiming

LIU Yu

WANG Jinduo

GU Wu

祁磊

赵宁波

Related Institution

哈尔滨工程大学动力与能源工程学院

大连理工大学能源与动力学院

沈阳航空航天大学航空航天工程学部(院) 辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室

南京航空航天大学能源与动力学院

南京航空航天大学能源与动力学院江苏省航空动力系统重点实验室

AI问答

Postal code：100079
Tel：（010）53879206 Email：tmw@bjxintong.com.cn
Technical support is provided by Beijing Founder electronics co., LTD 京ICP备09082226号-64 京公网安备11010602201714号
It is recommended to read the content of this site in Chrome&IE9+. Please switch to extreme mode in browser 360.
Cookies We use cookies to help provide and enhance our service and tailor content. By continuing, you agree to the use of cookies.

⁰