Numerical study of detonation processes in rotating detonation engine and its propulsive performance

• Autorzy: Yi Tae-Hyeong , Lou Jing , Turangan Cary Kenny , Wolanski Piotr

Identyfikatory

DOI

10.2478/tar-2020-0015

Warianty tytułu

PL

Badanie numeryczne procesów detonacji w wirującym silniku detonacyjnym i jego wydajności napędowej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Numerical studies on detonation wave propagation in rotating detonation engine and its propulsive performance with one- and multi-step chemistries of a hydrogen-based mixture are presented. The computational codes were developed based on the three-dimensional Euler equations coupled with source terms that incorporate high-temperature chemical reactions. The governing equations were discretized using Roe scheme-based finite volume method for spatial terms and second-order Runge-Kutta method for temporal terms. One-dimensional detonation simulations with one- and multi-step chemistries of a hydrogen-air mixture were performed to verify the computational codes and chemical mechanisms. In two-dimensional simulations, detonation waves rotating in a rectangular chamber were investigated to understand its flowfield characteristics, where the detailed flowfield structure observed in the experiments was successfully captured. Three-dimensional simulations of two-waved rotating detonation engine with an annular chamber were performed to evaluate its propulsive performance in the form of thrust and specific impulse. It was shown that rotating detonation engine produced constant thrust after the flowfield in the chamber was stabilized, which is a major difference from pulse detonation engine that generates repetitive and intermittent thrust.

PL

Przedstawiono badania numeryczne propagacji fali detonacyjnej w wirującym silniku detonacyjnym oraz jego wydajności pędnej z jedno- i wielostopniową mieszanką chemiczną na bazie wodoru. Kody obliczeniowe opracowano w oparciu o trójwymiarowe równania Eulera w połączeniu z pojęciami źródłowymi, które obejmują wysokotemperaturowe reakcje chemiczne. Obowiązujące równania zostały zdyskredytowane przy użyciu metody skończonej objętości opartej na schemacie Roe'a dla terminów przestrzennych oraz metody Runge-Kutta drugiego rzędu dla terminów czasowych. W celu weryfikacji kodów obliczeniowych i mechanizmów chemicznych przeprowadzono jednowymiarowe symulacje detonacji z jedno- i wieloetapowymi chemikaliami mieszaniny wodoru i powietrza. W symulacjach dwuwymiarowych badano fale detonacyjne obracające się w komorze prostokątnej w celu zrozumienia jej charakterystyki pola przepływu, gdzie udało się uchwycić szczegółową strukturę pola przepływu zaobserwowaną w doświadczeniach. Przeprowadzono trójwymiarowe symulacje dwufalowego wirującego silnika detonacyjnego z komorą pierścieniową w celu oceny jego właściwości pędnych w postaci ciągu i impulsu właściwego. Wykazano, że wirujący silnik detonujący wytwarza stały ciąg po ustabilizowaniu się pola przepływu w komorze, co stanowi istotną różnicę w stosunku do silnika detonującego impulsowo, który wytwarza powtarzalny i przerywany ciąg.

Słowa kluczowe

EN

detonation wave; rotating detonation engine; propulsion; chemical kinetics; finite volume method; adaptive mesh refinement

PL

fala detonacyjna; wirujący silnik detonujący; napęd; kinetyka chemiczna; metoda skończonej objętości; adaptacyjne udoskonalanie siatki

• Wydawca: Wydawnictwa Naukowe Sieci Badawczej Łukasiewicz - Instytutu Lotnictwa
• Czasopismo: Transactions on Aerospace Research
• Rocznik: 2020
• Tom: Nr 3 (260)
• Strony: 30--48
• Opis fizyczny: Bibliogr. 30 poz., fot., rys., tab., wykr., wzory

Twórcy

autor

Yi Tae-Hyeong

• Pukyong National University, 45, Yongso-ro, Nam-Gu, Busan, Republic of Korea

autor

Lou Jing

• Institute of High Performance Computing, 1 Fusionopolis Way, #16-16 Connexis, 138632 Singapore

autor

Turangan Cary Kenny

• Institute of High Performance Computing, 1 Fusionopolis Way, #16-16 Connexis, 138632 Singapore

autor

Wolanski Piotr

• Łukasiewicz Research Network ‒ Institute of Aviation, Al. Krakowska 110/114, 02-256 Warsaw, Poland

Bibliografia

• [1] Press, O., 2007, “Asia Pacific’s aviation industry remains buoyant as 85 million seats go on sale”, www.oag.com.
• [2] Sehra, A. K. and Whitlow, W., 2004, “Propulsion and power for 21st century aviation”, Progress in Aerospace Sciences, vol. 40, pp. 199-235.
• [3] Bussing, T. and Pappas, G., 1994, “An introduction to pulse detonation engines”, AIAA 1994-0263, https://doi.org/10.2514/6.1994-263.
• [4] Roy, G. D., Frolov, S. M., Borisov, A. A., and Netzer, D. W., 2004, “Pulse detonation propulsion: challenges, current status and future perspective”, Progress in Energy and Combustion Science, vol. 30, pp. 545-672.
• [5] Wolanski, P., Kindracki, J., and Fujiwara, T., 2006, “An experimental study of small rotating detonation engines”, Pulsed and Continuous Detonation Ed., edited by Roy, G. D., Frolov, S. M., and Siniball, J. Torus Press, pp. 332-338.
• [6] Wolanski, P., 2010, “Development of the continuous rotating detonation engines”, Progress in Pulsed and Continuous Detonations, edited by Roy, G. D. and Frolov, S. M., Moscow, Torus Press, pp. 395-406.
• [7] Bykovskii, F. A., Zhdan, S. A., and Vedernikov, E. F., 2006, “Continuous spin detonations”, Journal of Propulsion and Power, vol. 22(6), pp. 1204-1216.
• [8] Lu, F. K. and Braun, E. M.., 2014, “Rotating detonation wave propulsion: Experimental challenges, modeling, and engine concepts”, Journal of Propulsion and Power, vol. 30, pp. 1125-1142, https://doi.org/10.2514/1.B34802.
• [9] Voitsekhovskii, B. V., 1960, “Stationary spin detonation”, Soviet Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, vol. 3, pp. 157-164.
• [10] Nicholls, J. A., Cullen, R. E., and Raglano, K. W., 1966, “Feasibility studies of a rotating detonation wave rocket motor”, Journal of Spacecraft, vol. 3, no. 6, pp. 893-898.
• [11] Bykovskii, F. A., Zhdan, S. A., and Vedernikov, E. F., 2008, “Continuous spin detonation of hydrogen-oxygen mixtures. 1. Annular cylindrical combustors”, Combustion, Explosion, and Shock Waves, vol. 44, pp. 150-162.
• [12] Daniau, E., Falempin, F., and Zhdan, S., 2005, “Pulsed and rotating detonation propulsion systems: first step towards operational engines,” AIAA 2005-3233, https://doi.org/10.2514/6.2005-3233.
• [13] Falempin, F. and Daniau, E., 2008, “A contribution to the development of actual continuous detonation wave engine,” AIAA 2008-2679, https://doi.org/10.2514/6.2008-2679.
• [14] Zhdan, S. A., Bykovskii, F. A., and Vedernikov, E. F., 2007, “Mathematical modeling of a rotating detonation wave in a hydrogen-oxygen mixture”, Combustion, Explosion, and Shock Waves, Vol. 43, No. 4, pp. 449-459.
• [15] Yi, T.-H., Lou, J., Turangan, C. and Choi, J.-Y., and Wolanski, P., 2011, “Propulsive performance of a continuously rotating detonation engine”, Journal of Propulsion and Power, vol. 27, pp. 171-181, https://doi.org/10.2514/1.46686.
• [16] Smith, G. P., Golden, D. M., Frenklach, M., Moriarty, N. W., Eiteneer, B. et al., GRI-mech 3.0, http://combustion.berkeley.edu/gri-mech/
• [17] Yi, T.-H., Lu, F. K., Wilson, D. R, Emanuel, G., 2017, “Numerical study of detonation wave propagation in a confined supersonic flow”, Shock Waves, vol. 27, pp. 395-408, https://doi.org/10.1007/s00193-016-0666-8.
• [18] Yi, T.-H., Anderson, D. A., Wilson, D. R., Lu, F. K., 2005, “Numerical study of two-dimensional viscous, chemically reacting flow”, AIAA 2005-4868, https://doi.org/10.2514/6.2005-4868.
• [19] MacNeice, P., Olson, K. M., Mobarry, C., deFainchtein, R., and Packer, C., 2000, “PARAMESH: A parallel adaptive mesh refinement community toolkit”, Computer Physics Communications, vol. 126(3), pp. 330-354, https://doi.org/10.1016/S0010-4655(99)00501-9.
• [20] Leveque, R. J., 2002, Finite Volume Methods for Hyperbolic Problems, Cambridge University Press.
• [21] Roe, P. L., 1981, “Approximate Riemann solvers, parameter vectors and difference schemes”, Journal of Computational Physics, vol. 43, pp. 357-372.
• [22] van Leer, B., 1979, “Towards the ultimate conservative difference scheme, V: A second-order sequel to Godunov's method,” Journal of Computational Physics, vol. 32, pp. 101-136.
• [23] Tannehill, J. C., Anderson, D. A., and Pletcher, R. H., 1997, Computational Fluid mechanics and Heat Transfer. Taylor and Francis, Washington, D. C.
• [24] Williams, D. N., 2002, Numerical Modelling of Multidimensional Detonation Structure, Ph. D. thesis, University of Calgary, Calgary, Alberta.
• [25] Brown, P. N., Byrne, G. D., and Hindmarsh, A. C., 1989, “VODE: A variable-coefficient ode solver, SIAM Journal on Scientific and Statistical Computing, vol. 10, pp. 1038-1051.
• [26] Berger, M. and Oliger, J., 1984, “Adaptive mesh refinement for hyperbolic partial differential equations”, Journal of Computational Physics, vol. 53, pp. 484-512.
• [27] Lee, J. H. S., 2008, The Detonation Phenomenon, Cambridge Univ. Press, New York.
• [28] Gordon, S. and McBride, B. J., 1976, “Computer program for calculation of complex chemical equilibrium compositions and application I. Analysis”, Tech. Rep. NASA RP-1311.
• [29] Ma, F., Choi, J. Y., and Yang, V., 2005, “Thrust chamber dynamics and propulsive performance of single-tube pulse detonation engines”, Journal of Propulsion and Power, Vol. 21, No. 3, pp. 512-526, https://doi.org/10.2514/1.7393.
• [30] Yi, T.-H., Turangan, C., Lou, J., Wolanski, P., Kindracki, J., 2009, “A three-dimensional numerical study of rotational detonation in an annular chamber” AIAA paper 2009-0634, https://doi.org/10.2514/6.2009-634.47NUmERICAl STUDY OF DETONATION PROCESSES IN ROTATING...

Uwagi

1. The project was carried out at the Institute of High Performance Computing, A*STAR, Singapore (2006-2010), under the Singapore-Poland Science & Technology Co-operation agreement (IHPC/06-201802).

2. Tae-Hyeong Yi – Formerly a Research Scientist, Fluid Dynamics, Institute of High Performance Computing A*STAR.