Nghiên cứu sự lan truyền ngược của sóng va trong vùng cách ly của động cơ scramjet

Bài báo này trình bày về các hiện tượng xảy ra trong vùng cách ly, các lý thuyết tính toán liên quan đến lớp biên trên âm và hiện tượng sóng va. Trong điều kiện cơ sở vật chất cho ngành hàng không vũ trụ của Việt Nam chưa có nhiều, bài báo trình bày phương pháp mô phỏng số để nghiên cứu các hiện tượng trong vùng cách ly động cơ sau đó đưa ra các định hướng tính toán thiết kế cải tiến hiệu suất.

HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 NGHIÊN CỨU SỰ LAN TRUYỀN NGƯỢC CỦA SÓNG VA TRONG VÙNG CÁCH LY CỦA ĐỘNG CƠ SCRAMJET RESEARCH PSEUDO SHOCK ON ISOLATOR OF SCRAMJET ENGINE DƯƠNG THỊ HIỆN*, NGUYỄN TUẤN ANH Khoa Cơ khí, Trường Đại học Thủy lợi *Email liên hệ: duongthihien@tlu.edu.vn Tóm tắt Động scramjet động phản lực tĩnh siêu âm có tuần hồn khơng khí hoạt động khoảng số Mach từ đến [1] Ngày nay, nhà khoa học cải tiến tạo động scramjet có buồng đốt đốt dịng âm âm Do môi trường làm việc nên đốt cháy nhiên liệu động vấn đề nhiệt nhiễu loạn dòng gây nên dòng trào ngược từ miệng buồng đốt quay lại cửa hút, tượng gây hại cho cửa hút làm tắt động Có nhiều phương pháp để hạn chế tượng có hại này, ví dụ đặt đoạn ống có chiều dài tính tốn trước vào vị trí sau cửa hút trước buồng đốt, hay gọi vùng cách ly (isolator) Bài báo trình bày tượng xảy vùng cách ly, lý thuyết tính tốn liên quan đến lớp biên âm tượng sóng va Trong điều kiện sở vật chất cho ngành hàng khơng vũ trụ Việt Nam chưa có nhiều, báo trình bày phương pháp mơ số để nghiên cứu tượng vùng cách ly động sau đưa định hướng tính tốn thiết kế cải tiến hiệu suất Từ khóa: Động scramjet, sóng trào ngược, vùng cách ly, CFD Abstract Scramjet engine is the engine with air circulation and operate in the range of to Mach numbers Scientists today are improving the old version to make a new scramjet engine with the combustion both subsonic and supersonic flow Therefore, it causes pseudo flows from the combustor to inlet of engine, this phenomenon harms to the inlet and may turn off the engine There are many methods to reduce this harmful phenomenon, such as putting a pipe segment length is calculated in front of the combustor and behind the inlet, this region known as isolator This article described the phenomena occurring in isolated areas, the 122 theoretical calculations related to supersonic boundary layer phenomena and shock wave So the phenomenon is very complex, simulate this phenomenon using numerical simulation tool ANSYS FLUENT to better explain the phenomenon and offering the reasonable designoriented calculations Keywords: Scramjet engine, pseudo shock, isolator, CFD Mở đầu Để khởi động động scramjet cần có tàu mang tên lửa đẩy phụ để đưa động scramjet đến độ cao tốc độ thích hợp Hình lược đồ cấu tạo động scamjet tàu Khi động hoạt động, dịng khơng khí bên ngồi vào cửa hút động cơ, qua tầng sóng va xiên, dịng khơng khí nén lại tăng nhiệt độ Dịng khơng khí tiếp tục vào vùng cách ly nắn dòng, ổn định dòng Tại tác động lớp biên thành ống, sóng va xiên tăng áp đột ngột buồng đốt, dòng vùng cách ly trở nên bất ổn định sinh loạt sóng va xiên đan xen lan truyền đến cửa buồng đốt, tượng gọi dãy sóng va (shock train) Đến miệng buồng đốt dòng gặp phải tăng áp đột ngột vùng lớp biên có vận tốc nhỏ tạo điều kiện cho dịng quay ngược lại vùng lớp biên Phần dịng khơng khí trộn với nhiên liệu phun buồng đốt cháy tạo luồng khí nóng, đẩy vào cửa động tạo lực đẩy Hình Sơ đồ mặt cắt động scramjet [1] SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Dòng vùng cách ly chịu ảnh hưởng nhiều thơng số, điển hình áp suất nhiệt độ, trạng thái lớp biên, số Mach cửa hút, cách bố trí, cấu tạo vịi phun nhiên liệu buồng đốt, số lượng vòi phun Trong vùng cách ly buồng đốt xuất dòng rối tách thành chúng bao quanh lõi dòng Ở số Mach 8, lượng nhiệt dòng vào động tăng cao dẫn đến áp suất buồng đốt tăng lên, không đủ để gây tách thành lớp biên Những dịng cịn lại hồn tồn dịng âm dòng gắn, động hoạt động chất scramjet hồn khí âm siêu âm Tại góc ngoặt tốc độ dịng đủ lớn sinh bong bóng tách dịng Hình cho thấy áp suất tăng từ điểm va chạm lan truyền qua sóng va thứ hai liên tiếp Trong báo trình bày cấu trúc dòng xảy vùng cách ly động scramjet đưa nhìn tổng quan dịng tính tốn thiết kế vùng cách ly thông qua phương pháp mô Cơ sở lý thuyết 2.1 Lớp biên rối Trong phần lớp biên tầng, phương trình lớp biên đạo hàm cho dịng ổn định Với số Reynolds định lớp biên cho kết khơng ổn định tạo nên lớp biên rối Các nghiên cứu cần đưa điều kiện để tham số ảnh hưởng tới tượng dòng độ rối, tham số số Reynolds Dựa quan sát, nghiên cứu thực nghiệm, công thức diễn tả trường dịng lớp biên rối dịng khơng nén được đưa [2] Sau từ nhiệt độ tham chiếu sử dụng để tính toán ma sát tường, nhiệt truyền tường, chiều dày lớp biên dịch chuyển mô men động lượng lớp biên 2.2 Tương tác lớp biên sóng va Nếu trường hợp có sóng va nén gặp lớp biên dịng âm kết xuất lớp tách dòng Áp suất động lớp biên giảm ma sát Nhưng sóng va nén làm tăng áp suất, áp suất lớp biên không theo kịp tăng kết sinh tượng tách dòng lớp biên Có hai trường hợp xảy ảnh hưởng lớp biên sóng va sau: Hình Sóng va xiên tác động đến lớp biên [3] Tương tác lớp biên sóng va xuất dịng âm gặp đường dốc tạo nên sóng va xiên Hình 2, sóng va xiên kết hợp với tượng lớp biên tạo tương tác Hiện tượng thường xảy cửa hút loại động tuần SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) Hình Phân bố áp suất nơi có tương tác lớp biên sóng va vùng hai sóng va xiên gặp [3] Áp suất tổng qua hai sóng va nhỏ qua sóng va với khoảng nén phát sinh entropy nhỏ Hình dạng kích thước bong bóng tách dịng biến đổi khác tùy thuộc vào số lượng sóng va xiên góc sóng va Kích thước bong bóng thực tùy thuộc vào biên dạng lớp biên thông số dịng vào Cơng thức thực nghiệm đưa sau [3]: Re L mW Te m eTW pIII - pinc LB = 4.4 d1 pI MaI3 (1) Trong đó: LB - Chiều dài bong bóng tách thành, (m); - Áp suất điểm bắt đầu có bong bóng, (Pa); - Chiều dày lớp biên, (m); - Số Reynold chiều dài tham chiếu L; - Độ nhớt động tường phương x (chiều động động cơ), (kg/(ms)); - Nhiệt độ tường phương x, (K); M - Số Mach; , - Áp suất tại cửa vào cửa vùng cách ly, (Pa); - Tỷ lệ nhiệt; 123 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 , - Nhiệt dung riêng, (J/(kg*K)) Hiện tượng tách dòng thường xảy nơi có lớp biên mỏng, áp suất tăng dễ dàng trượt qua sóng va tách pinc pI - Bước nhảy áp suất nhỏ vị trí xảy tượng tính sau [3]: pinc = + 0.5MaI2g f c f , L pI 0.5 MaI2 - -0.25 (2) Thực nghiệm tỉ số khoảng từ 1,57 đến 2,00 phụ thuộc chủ yếu vào số Mach Theo thí nghiệm thực nghiệm khác kích thước bong bóng tính sau [2]: LB d1, sep Re L mW Te ỉ T meTW pIII - pinc = ỗ 4.4 - 0.2 W ữ Te ø MaI3 pI è (3) 2.3 Cấu trúc dòng vùng cách ly động scramjet Vùng cách ly động scramjet thường ống dài đó, cấu trúc dòng âm bị hạn chế thành ống chịu tác động mạnh mẽ gradient áp suất dòng tốc độ cao bị nén mạnh, đặc trưng quan trọng cần xem xét thiết kế vùng cách ly động scramjet Dòng âm nén ống sinh sóng va, khơng có lớp biên hình thành, đặc tính sóng va tương tự dịng ngồi Tuy nhiên với diện lớp biên tách thành tạo loạt sóng va xiên, trải dài, làm tăng áp suất lên đơn vị chiều dài thành ống Hình Hiện tượng gọi loạt sóng va hay dãy sóng va (shock train), bao gồm vùng tách dịng tường, với loạt sóng va xiên lõi dịng Vùng trộn tạo lõi dòng dòng tách thành Hình Cấu trúc dịng vùng cách ly [1] Những phân tích dùng để dự báo trước tượng xảy vùng cách ly phục vụ cho việc thiết kế vùng cách ly động âm scramjet Hình Ảnh hưởng nhiệt độ tường tới kích thước bong bóng [3] Các nghiên cứu trước tiến hành đo đạc kiểm tra trường dịng trường hợp góc nghiêng dốc 15 độ Kết cho thấy kích thước bong bóng tăng lên nhiệt độ tường tăng nhiệt độ dịng vào giảm (Tw tăng, Te giảm) Kích thước bong bóng có tác động nhạy đến biên dạng lớp biên Giá trị hệ số ma sát bề mặt tường Cf Ch tính tốn thơng qua thí nghiệm thực nghiệm phương pháp mô số [3]: LB = Ch x ổ pIII - pinc ỗ ữ g c f Re Ma I2 è pI ø (4) Nhiệt độ tường ảnh hưởng đến kích thước bong bóng phức tạp để tính tốn Với giả thiết, mức độ ảnh hưởng định lượng quan hệ nhiệt độ tường, kích thước lớp tách thành áp suất tăng Hình sau thực nghiệm với lớp biên tầng [3] 124 Theo hai nghiên cứu McLafferty năm 1950 Waltrup Billig năm 1970 [4], Họ theo dõi ảnh hưởng áp suất tăng (DP / P) , chiều dài mà 1/ 1/ loạt sóng va trải với D q phần nghịch đảo , D đường kính ống M q số Mach dòng trong, chiều dày động lượng lớp biên vùng lớp biên Req số Reynolds động lượng độ dày vùng lớp biên Thí nghiệm thực khoảng số Mach từ 1,5 đến 2,7 Waltrup Billig [4] tìm mối liên hệ độ dày lớp biên dẫn đến chiều dài loạt sóng va phát triển thực tế liên quan đến chiều dài cấu trúc sóng va s phương trình [3]: s(M - 1)(Req )1/ é DP ù é DP ù = 50 ê ú + 170 ê ú 1/ 1/ D q ë P û ë P û (5) Phân tích mơ 3.1 Xây dựng mơ hình hình học mơ hình phần tử hữu hạn Mơ hình vùng cách ly tốn đơn SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 giản hóa ống dạng hộp vng có chiều dài 300mm, mặt cắt tiết diện ống 30x30mm Tác giả mơ dịng nhớt vào ống với tốc độ âm có giá trị M=2 [4] 3.2 Các tham số thiết lập tốn Có thể nhận thấy mơ hình đối xứng mặt Do để giảm khối lượng tài ngun tính tốn, nghiên cứu thực tính tốn cho phần bốn hình hộp với điều kiện biên tuần hoàn phù hợp, kết phần lại nội suy đối xứng theo mặt Kích thước mơ hình tính tốn mơ tả Hình Chọn mơ hình rối k-epsilon, chế độ Standard hàm tường Non-Equilibrium chất toán tượng tách thành lớp biên Chọn giải toán theo biến tin cậy khối lượng riêng (Density based) tốn tính chế độ ổn định (Steady) Áp dụng thêm phương trình lượng tốn mơ Vật chất: Khí lí tưởng có Cp số, độ nhớt thay đổi theo nhiệt độ theo luật sutherland Đặt điều kiện biên đầu vào có tên inlet: Áp suất tổng 100.000Pa; Áp suất tĩnh 12.780Pa Theo hướng pháp tuyến với mặt inlet Suy M = Đặt điều kiện cửa mang tên outlet: Hình Một phần tư mơ hình vùng cách ly Điều kiện biên tốn thiết lập Hình với điều kiện biên là: Tường, mặt đối xứng, áp suất đầu vào, áp suất đầu Giả sử áp suất tăng đốt cháy nhiên liệu gấp 3,8 lần áp suất tĩnh cửa vào: 48.564Pa Tính tốn với số vịng lặp khoảng 3.050 vịng lặp cho giá trị dư hội tụ Phân tích xử lý kết Kết trường số Mach trường áp suất mặt cắt tâm đối xứng đưa Hình Hình tương ứng Hình Hình ảnh lưới đầu ống lớp lưới Vấn đề chia lưới cho toán cần quan tâm kỹ lưỡng liên quan đến lớp biên Tại biên tường cần chia lưới đủ mịn để bắt tượng tách thành xảy vùng cách ly Sau số khảo sát tính tốn thử nghiệm lưới, lưới cuối Hình lựa chọn mơ tốn có thơng số sau: Hình Kết số Mach mặt cắt đối xứng phương đứng dọc trục ống - Lưới tứ diện; - Số nút lưới: 568.635 nút; - Số phần tử lưới: 537.500 phần tử; - Lớp biên: lớp, tỷ lệ dựng 1,5, chiều cao lớp lưới 0,01mm; - Minimum Orthogonal Quality = 6,39257e-01 (tiêu chuẩn gần lưới xấu); - Maximum Ortho Skew = 3,60743e-01 (tiêu chuẩn gần lưới xấu) SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) Hình Kết áp suất mặt cắt trung tâm 125 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Kết luận Nhận xét: Về mặt lý thuyết: Việc hình thành loạt sóng va phản sóng va tương đồng so với lý thuyết, hình thành liên tiếp sóng va xiên, sóng va cong hình bát úp Nhận biết sóng va vị trí thơng số có bước nhảy Ở phần cuối ống sóng va khơng suất hiện, thơng số liên tục khơng có bước nhảy Hình 10 Hình 11 Loạt sóng va ảnh hưởng nhớt, lớp biên kết hợp với hình dạng ống tác động sóng va xiên tạo nên, tượng phức tạp khó khăn để khảo sát, dựa mô số phương pháp thực nghiệm xác định gần chiều dài chúng số thơng số tính tốn khác Sóng trào ngược qua dòng tách lớp biên áp suất tăng đột ngột tượng cháy buồng đốt Dựa mô hai tượng loạt sóng va sóng va trào ngược, báo đưa nhìn tổng quan xác định thơng số để thiết kế kích thước vùng cách ly Qua ta thấy vai trị quan trọng vùng cách ly: Nắn dòng ổn định dòng, giảm tác động hai loại sóng đến động siêu âm scramjet Từ đưa phương án cải thiện hiệu suất buồng đốt hiệu vùng cách ly nghiên cứu sau TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình 10 Đồ thị thay đổi áp suất trục ống theo chiều dài ống [1] Professor Michael K Smart, Scramjet Isolators, Chair of Hypersonic Propulsion Centre for Hypersonics The University of Queensland Brisbane 4072 AUSTRALIA [2] John D Anderson, Jr., Fundamentals of Aerodynamics, University ofMaryland [3] Christian Max Fischer, Investigation of the Isolator Flow of Scramjet Engines, Universitätsprofessor Dr.-Ing H Olivier Universitätsprofessor Dr.-Ing W Schröder, 2014N Hình 11 Đồ thị thay đổi áp suất thành ống theo chiều dài ống Kết sau phân tích thu Bảng Bảng Thơng số kết phân tích Giá trị Đơn vị Vị trí mép vào 0,082 m Chiều dài tổng 0,218 m Chiều dài loạt sóng va 0,128 m N 1,99 N Thông số Lực cản áp suất Lực cản nhớt 126 [4] Sridhar T, Chandrabose G & Thanigaiarasu S, Numerical Investigation of Geometrical Influence On Isolator Performance, Dept of Aerospace Engg., Madras Institute of Technology, Chennai, India, 2013 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 10/6/2021 09/8/2021 15/8/2021 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) ... loạt sóng va sóng va trào ngược, báo đưa nhìn tổng quan xác định thơng số để thiết kế kích thước vùng cách ly Qua ta thấy vai trò quan trọng vùng cách ly: Nắn dòng ổn định dòng, giảm tác động. .. thiết kế vùng cách ly động scramjet Dòng âm nén ống sinh sóng va, khơng có lớp biên hình thành, đặc tính sóng va tương tự dịng ngồi Tuy nhiên với diện lớp biên tách thành tạo loạt sóng va xiên,... tượng gọi loạt sóng va hay dãy sóng va (shock train), bao gồm vùng tách dòng tường, với loạt sóng va xiên lõi dịng Vùng trộn tạo lõi dịng dịng tách thành Hình Cấu trúc dịng vùng cách ly [1] Những