FLUENT旋转爆震发动机冷却系统仿真设计(2)
燃烧是推进系统中十分重要的过程，它通过化学反应将燃料的化学能转变为热能，再转变为动能，产生推力。自然界中有两种燃烧波：一种是缓燃波，另一种就是爆震波[1]。目前所有的燃气涡轮机中的燃烧波都是缓燃波，它的火焰传播速度约为几十厘米每秒至十几米每秒。而爆震波则以几千米每秒的速度向未燃混合物传播，并能产生极高的燃气压力及燃气温度[2]。爆震波可以描述成具有化学反应的强激波，激波压缩反应就像反应物与产物之间的活塞，由于没有足够的时间使压力平衡，因此爆震燃烧过程可以看作是等容燃烧过程[3]。而爆震燃烧相比于等容、等压燃烧具有更高的热效率。正因如此，热循环效率高的潜在优点成为了驱动人们发展以爆震为基础的发动机的动力。
本课题研究的旋转爆震发动机是一种利用爆震波在环形燃烧室内连续旋转传播的发动机。它作为一种新型的爆震发动机，在热循环效率方面比等压燃烧发动机具有明显优势。与如今较为成熟的脉冲爆震发动机相比，旋转爆震发动机只需一次起爆，爆震燃烧就可以持续进行[4]。此外，相比于其他几种爆震发动机，旋转爆震发动机结构更简单，推重比更大，工作范围更宽，可加装喷管产生矢量推力，增加飞行的机动性，可用于导弹和宇航运载飞行器等方面的新型动力装备，是理想的爆震推进方式，具有广阔的应用前景[5-9]。
但旋转爆震发动机也存在着自身的问题。旋转爆震发动机的燃烧室内存在高温、高压、高速传播的爆震波，工作环境十分恶劣，导致旋转爆震发动机无法长时间工作，这是目前旋转爆震发动机存在的重要问题之一。因此，在此背景下，本课题将开展旋转爆震发动机冷却系统的研究。尽管目前国内外对旋转爆震发动机的研究还处于理论验证和数值模拟阶段，但从长远发展来看，进行此项研究是十分重要的，对旋转爆震发动机的实际应用也是具有重要意义的。
1.2 旋转爆震发动机的研究历程和现状
1.3 课题主要研究内容
旋转爆震发动机作为一种新兴发动机，尚不成熟。本文将会运用理论分析、数值分析、三文建模等多种方法，对旋转爆震发动机进行冷却系统的设计，并进行分析。论文的主要内容包括以下几个部分：
根据旋转爆震发动机的工作特点、环形燃烧室结构、温度分布以及测量要求等，对环形燃烧室内、外壁面的冷却方案进行设计。
1、运用三文建模软件SolidWorks建立旋转爆震发动机冷却方案模型，并导入FLUENT前期处理软件GAMBIT，完成网格划分和边界条件的设定。
2、采用FLUENT商业软件，对冷却系统进行三文数值模拟，分析该冷却系统的冷却效率，并获得影响冷却效率的主要影响因素。
3、在前面工作的基础上，通过将三种冷却方案进行对比分析，确定最优冷却方案，提高发动机的工作时间。
2 旋转爆震发动机冷却方案结构
2.1 旋转爆震发动机结构
旋转爆震发动机(如图2.1所示)通常都采用环形燃烧室，推进剂从燃烧室一端喷注，存在一个或者多个爆震波在燃烧室内沿周向连续旋转传播，高压爆震产物迅速膨胀，从燃烧室另一端高速排出，从而产生推力。由于爆震波传播频率高，所以能够提供稳定的推力[41]。
图2.1旋转爆震发动机结构示意图
而本文研究的便是基于这种结构的旋转爆震发动机，其具体结构尺寸为：燃烧室内径为70mm，燃烧室外径为80mm，燃烧室内、外壁厚均为6mm（含冷却腔），长度为40mm。我们在SolidWorks中建立该发动机的三文模型，如图2.2、2.3。