Nghiên cứu cải tiến thiết kế vùng cách ly động cơ trên âm scramjet sử dụng công cụ mô phỏng số CFD

PHẠM BẢO LIÊM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

PHẠM BẢO LIÊM

KĨ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN THIẾT KẾ
VÙNG CÁCH LY ĐỘNG CƠ TRÊN ÂM SCRAMJET
SỬ DỤNG CÔNG CỤ MÔ PHỎNG SỐ CFD

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH KĨ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

KHĨA CLC2017A

Hà Nội – Năm 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------PHẠM BẢO LIÊM

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN THIẾT KẾ
VÙNG CÁCH LY ĐỘNG CƠ TRÊN ÂM SCRAMJET
SỬ DỤNG CÔNG CỤ MÔ PHỎNG SỐ CFD

Chuyên ngành : Kĩ thuật cơ khí động lực

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH KĨ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
1. TS. LƯU HỒNG QUÂN

Hà Nội – Năm 2018


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn : Phạm Bảo Liêm
Đề tài luận văn: “Nghiên cứu cải tiến thiết kế vùng cách ly động cơ
trên âm scramjet sử dụng công cụ mô phỏng số CFD”
Chuyên ngành: Kĩ thuật cơ khí động lực
Mã số HV: CAC17005
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn
xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội
đồng ngày….........................………… với các nội dung sau:
- Bổ sung đầy đủ trích dẫn tài liệu tham khảo và lời giải thích cho
hình ảnh, cơng thức, kết quả so sánh với bài báo, bổ sung đầy đủ số
tài liệu tham khảo.
- Phân tích và ứng dụng kết quả tính tốn vào cải tiến thiết kế động cơ
scramjet.
- Chữa lỗi chính tả, các lỗi trình bày.

- Bổ sung kết luận, nêu rõ kết quả luận văn đạt được.
- Lấy nội dung cốt lõi phần phụ lục bổ sung cho chương I.
Ngày
Giáo viên hướng dẫn

TS. LƯU HỒNG QUÂN

tháng

năm

Tác giả luận văn

PHẠM BẢO LIÊM

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG


LỜI CAM ĐOAN
Tôi – Phạm Bảo Liêm, học viên cao học mã số CAC17005 Trường Đại học
Bách Khoa Hà Nội – cam kết luận văn này là cơng trình nghiên cứu của bản thân tôi
dưới sự hướng dẫn của TS. Lưu Hồng Quân – Bộ môn Kỹ thuật Hàng không và Vũ
trụ, Viện Cơ khí động lực – Đại học Bách Khoa Hà Nội. Các số liệu, kết quả nêu
trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình
nào khác.
Tác giả luận văn xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
Hà Nội, ngày tháng năm 2018
Tác giả

Phạm Bảo Liêm

Xác nhận của giáo viên hướng dẫn về mức độ hoàn thành của luận
văn tốt nghiệp và cho phép bảo vệ:

Hà Nội, ngày tháng năm 2018
Giảng viên hướng dẫn

TS. Lưu Hồng Quân


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ..................................................................................................2
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ TRÊN ÂM SCRAMJET VÀ VÙNG
CÁCH LY ...................................................................................................................4
1.1 Giới thiệu động cơ trên âm scramjet ......................................................4
1.2 Vùng cách ly (vùng cách ly) ..................................................................9
1.2.1 Cấu trúc dòng trong vùng cách ly của scramjet ..............................9
1.2.2 Mơ hình khuếch tán phân tích dịng trong vùng cách ly ...............11
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................18
2.1 Lý thuyết dịng trên âm .....................................................................18
2.1.1 Hiện tượng sóng va .......................................................................18
2.1.2 Lớp biên ........................................................................................20
2.1.3 Tương tác của lớp biên sóng va ....................................................29
2.1.4 Dãy sóng va (shock train) .............................................................31
2.1.5 Độ nhớt và luật Sutherland ...........................................................33
2.2 Lý thuyết mô phỏng số.........................................................................34
2.2.1 Phương trình Navier stockes và các phương trình bảo tồn .........34
2.2.2 Số Courant.....................................................................................37

2.2.3 Hệ số y ........................................................................................38

2.2.4 Dạng điều kiện biên áp suất cửa vào ............................................39
2.2.5 Giải pháp hướng ............................................................................41
CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG CẢI TIẾN VÙNG CÁCH LY ĐỘNG CƠ
SCRAMJET ..............................................................................................................43
3.1 Đặt vấn đề ............................................................................................43
3.2 Mơ phỏng dịng trào ngược trong vùng cách ly đơn giản ....................44
3.2.1 Mơ hình hình học ..........................................................................44
3.2.2 Chia lưới........................................................................................44
3.2.3 Cài đặt bài toán .............................................................................45
3.2.4 Kết quả ..........................................................................................46


3.3 Nghiên cứu cải tiến thiết kế vùng cách ly với mơ hình bậc và dốc .....48
3.3.1 Mơ hình hình học ..........................................................................48
3.3.2 Chia lưới........................................................................................49
3.3.3 Cài đặt bài toán .............................................................................50
3.3.4 Kết quả ..........................................................................................52
3.4 Kết luận và hướng phát triển ................................................................57
TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................59


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1: Lược đồ mặt cắt động cơ trên âm scramjet[2] ....................................4
Hình 2: Chu kì nhiệt động cơ (s là tọa độ phương x, h là độ rộng dịng) [3] ..5
Hình 3: Phân bố áp suất trên thành động cơ khơng có nhiên liệu[2] ...............7
Hình 4 : Phân bố áp suất trên thành buồng đốt khi bơm nhiên liệu. [2] ..........8
Hình 5: Biểu đồ quan hệ giữa các thơng số [2]................................................8
Hình 6: Cấu trúc dịng trong vùng cách ly [3] .................................................9
Hình 7: Tương quan của dữ liệu thực nghiệm dãy sóng va [3] .....................10
Hình 8: Một phân tố dịng tách[3]..................................................................12

Hình 9: Nhiên liệu tại Φ=0.5, dịng gắn chảy qua vùng cách ly và buồng
đốt[3] ..............................................................................................................15
Hình 10: Φ= 0.75, tách dịng xảy ra và sau đó gắn dịng tăng tốc[3] ............16
Hình 11: Φ = 0.81, tách dịng với họng nhiệt [3] ...........................................17
Hình 12: Phần tử chuyển động dưới âm ........................................................18
Hình 13: Chuyển động bằng âm ....................................................................19
Hình 14: Chuyển động trên âm ......................................................................19
Hình 15: Biên dạng lớp biên với số Mach =10 và TW  TE  300K [2] ............23
Hình 16: Hệ số ma sát trên tường của lớp biên tầng và lớp biên rối [2]........27
Hình 17: Số Stanton cho lớp biên tầng và lớp biên rối [2] ............................27
Hình 18: Chiều dày dịch chuyển lớp biên tầng và lớp biên rối [2]................28
Hình 19: Momen mất đi lớp biên tầng và lớp biên rối [2] .............................28
Hình 20: Sóng va xiên tác động đến lớp biên [2] ..........................................29
Hình 21: Phân bố áp suất tại nơi có tương tác lớp biên sóng va [2] ..............29
Hình 22: Ảnh hưởng của nhiệt độ tường tới kích thước bong bóng [2] ........31
Hình 23: Hệ thống dãy sóng va......................................................................32
Hình 24: Sóng va đơn và dãy sóng va. ..........................................................32
Hình 25: Quan hệ giữa ứng suất dịch chuyển và độ dẫn nhiệt với gradient
vận tốc và nhiệt độ [1]....................................................................................33
Hình 26: Điều kiện biên với M=2 [4] ............................................................41
Hình 27: Một phần tư mơ hình vùng cách ly .................................................44
Hình 28: Hình ảnh lưới trên một đầu ống và lớp lưới đầu tiên......................45
Hình 29: So sánh kết quả số Mach tại mặt cắt trung tâm vùng cách ly .........46
Hình 30: So sánh kết quả áp suất tại mặt cắt trung tâm .................................46


Hình 31: Đồ thị thay đổi áp suất trên trục vùng cách ly theo chiều dài vùng
cách ly[2]........................................................................................................47
Hình 32: Đồ thị thay đổi áp suất trên trục trung tâm vùng cách ly[2] ...........47
Hình 33: Một phần hai mơ hình vùng cách ly ...............................................48

Hình 34: 1 bậc cao 2 mm ...............................................................................49
Hình 35: Dốc đầu tiên sau bậc .......................................................................49
Hình 36: Tiếp nối sáu dốc sau bậc (cùng chiều cao và độ dài)......................49
Hình 37: Hình ảnh lưới trên bậc, dốc và lớp lưới đầu tiên ............................50
Hình 38: So sánh kết quả số Mach tại mặt cắt trung tâm vùng cách ly .........52
Hình 39: So sánh kết quả áp suất tại mặt cắt trung tâm .................................53
Hình 40: Áp suất dịng tại đường dọc vị trí bậc (vị trí đốt) ...........................54
Hình 41: Đồ thị thay đổi áp suất trên trục vùng cách ly theo chiều dài vùng
cách ly ............................................................................................................54
Hình 42: Đồ thị thay đổi áp suất trên đường cắt dọc cuối vùng cách ly ........55
Hình 43: Số Mach trên đường cắt dọc cuối vùng cách ly ..............................55
Hình 44: Đồ thị dữ liệu từ bảng 1 ..................................................................56


TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
Động cơ trên âm Scramjet hiện đang được nghiên cứu phát triển mạnh mẽ và
được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp và quân sự. Tuy nhiên, ở
Việt Nam, đây là loại động cơ mới, chưa được biết đến nhiều cũng như chưa có
nhiều nghiên cứu về động cơ trên âm.
Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc khoa học công nghệ, ngành hàng khơng
vũ trụ đã có nhiều bước tiến mới. Đối với động cơ scramjet hoạt động ở điều kiện
số Mach 5 thì việc nghiên cứu tính tốn là rất phức tạp do có ảnh hưởng mạnh của
động nhớt, lớp biên,… tính chất dịng khí biến đổi hồn tồn. Một trong số các hiện
tượng phức tạp đó là hiện tượng dòng trào ngược trong vùng cách ly và hiện tượng
dãy sóng va. Chúng ta có thể dùng phương pháp số trong cơ học chất lỏng để tính
tốn gần đúng và khảo sát về hiện tượng này. Chính vì vậy, đề tài "Nghiên cứu cải
tiến thiết kế vùng cách ly động cơ trên âm scramjet sử dụng công cụ mô phỏng số
CFD" đã được lựa chọn cho Luận văn thạc sỹ khoa học này.
Nội dung luận văn gồm 3 chương:
Chương I: Giới thiệu động cơ trên âm scramjet và vùng cách ly: Trình bày

tổng quan về cấu trúc, nguyên lý hoạt động của động cơ và hiện tượng hình thành
sóng va trong vùng cách ly. Trình bày lý thuyết tính tốn các thơng số sóng va.
Chương II: Cơ sở lý thuyết: Trình bày về cở sở lý thuyết dịng trên âm, cơ sở
mô phỏng số CFD sử dụng phần mềm Ansys-Fluent.
Chương III: Bài tốn mơ phỏng số: Trình bày nghiên cứu các biện pháp cải
tiến đặc tính vùng cách ly, tính tốn, mơ phỏng, đánh giá hiệu quả của phương pháp
sử dụng công cụ mô phỏng số CFD.

1


LỜI MỞ ĐẦU
Trong thế chiến thứ hai, khả năng cơ động của máy bay và các loại tên lửa là
yếu tố quan trọng quyết định chiến thuật và chiến thắng của trận đánh. Các nước
tham chiến chú trọng nghiên cứu phát triển động cơ tốc độ cao nhằm tăng tính cơ
động, phản ứng của máy bay chiến đấu và vũ khí đánh chặn. Năm 1960, Mỹ đã
trang bị động cơ ramjet cho máy bay chiến đấu X-15, đạt vận tốc M = 3.
Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc khoa học cơng nghệ, ngành hàng khơng
vũ trụ đã có nhiều bước tiến mới. Các nước Nga, Mỹ, Nhật đã tạo ra được động cơ
Scramjet (đạt được số Mach 5 hoặc hơn thế nữa) dùng cho tàu không gian, các loại
tên lửa, tên lửa hành trình và máy bay chiến đấu cơ động cao. Trong phạm vi của
luận văn này, chúng tơi sẽ bàn tới việc tính tốn đặc tính dịng trong vùng cách ly
của động cơ scramjet. Bài tốn này có tính chất quan trọng quyết định tới hiệu suất
của động cơ và phục vụ trong việc thiết kế động cơ.
Đối với động cơ scramjet hoạt động ở điều kiện số Mach 5 thì việc nghiên
cứu tính tốn là rất phức tạp do có ảnh hưởng mạnh của động nhớt, lớp biên,… tính
chất dịng khí biến đổi hồn tồn. Một trong số các hiện tượng phức tạp đó là hiện
tượng dòng trào ngược trong vùng cách ly và hiện tượng dãy sóng va. Chúng ta có
thể dùng phương pháp số trong cơ học chất lỏng để tính tốn gần đúng và khảo sát
về hiện tượng này.

Bằng cánh áp dụng lý thuyết dòng trên âm, lý thuyết lớp biên và kết hợp mô
phỏng số, chúng ta sẽ đưa ra được các thông số cơ bản nhất để đánh giá hiện tượng
như: phân bố áp suất, phân bố số Mach, các đồ thị,... và so sánh kết quả này với lý
thuyết và kết quả của bài báo đã làm trước đó.
Tuy nhiên do thời gian tìm hiểu cịn ngắn, tài liệu còn hạn chế cũng như
thiếu kinh nghiệm trong nghiên cứu do đó những thiếu sót và sai khác là khơng thể
tránh khỏi. Vì vậy tơi mong muốn nhận được sự góp ý của các thầy cơ cùng tồn thể
các bạn đồng nghiệp để em có thể hồn thiện hơn nghiên cứu này cũng như có thêm
được những hiểu biết q báu cho bản thân.

2


Đồng thời em cũng xin gửi lời cảm ơn tới TS. Lưu Hồng Qn cùng các thầy
cơ và tồn thể các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ để tơi có thể hoàn thành luận văn tốt
nghiệp này.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, 05- 2018

3


Chương I: Giới thiệu động cơ trên âm Scramjet và vùng cách ly

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ TRÊN ÂM SCRAMJET
VÀ VÙNG CÁCH LY
1.1 Giới thiệu động cơ trên âm scramjet
Scramjet (hay còn được gọi là dual-mode combustion) là loại động cơ trên
âm hoạt động trong khoảng số Mach 4 đến 8. Hình 1 mơ tả mặt cắt của động cơ
scramjet đang hoạt động trong trường hợp cung cấp năng lượng cho vật bay hoạt

động, dịng khí tiến vào cửa hút động cơ được nén bởi nhiều tầng sóng va được tạo
ra trên phần đầu động cơ và cửa vào động cơ, cung cấp khí áp suất cao cho buồng
đốt ở vận tốc trên âm. Nhiên liệu phun vào buồng đốt dưới áp suất và nhiệt độ cao,
bugi đánh lửa và phản ứng cháy tạo lực đẩy cho động cơ. Một phần có vị trí phía
trước buồng đốt gọi là vùng cách ly, tại đây áp suất khí tăng và sự phân tách với lớp
biên của thành động cơ ảnh hướng tới đặc tính dịng khí phía trước của điểm phun
nhiên liệu, sinh ra sóng va trào ngược. Ảnh hưởng của sóng va trào ngược là giảm
lưu lượng khí vào buồng đốt, giảm hiệu suất động cơ, cần hạn chế hiện tượng
này[3].

Hình 1: Lược đồ mặt cắt động cơ trên âm scramjet[2]
Lực đẩy và hiệu suất động cơ scramjet bị ảnh hưởng bởi nhiều thông số, một
trong các thông số quan trọng là áp suất, nhiệt độ, vận tốc, mô-men dịch chuyển lớp
biên trên thành vùng cánh ly, vận tốc dịng khí vào động cơ, diện tích phân bố trong
buồng đốt, vị trí đặt và số vịi phun nhiên liệu. Ở số Mach 8, năng lượng nhiệt dòng
4


Chương I: Giới thiệu động cơ trên âm Scramjet và vùng cách ly
vào động cơ tăng cao dẫn đến áp suất trong buồng đốt tăng lên không đủ để gây ra
tách thành ở lớp biên.
Scramjet là động cơ trên âm hút và đẩy khơng khí với buồng đốt ở vận tốc
khí trên âm trong khi đó ramjet có buồng đốt dưới âm. Dưới đây là hình ảnh chu kì
nhiệt lý tưởng của động cơ.[2]

Hình 2: Chu kì nhiệt động cơ (s là tọa độ phương x, h là độ rộng dịng) [3]
- Điểm 1-3: vận tốc khí giảm, áp suất tăng đến mức cần thiết cho phản ứng
cháy. Đây là quá trình đẳng entropic. Trong thực tế thì quá trình nén
khơng thể đạt chính xác là đẳng entropic bằng sóng va để làm tăng áp
suất.

-

Điểm 3-4: Buồng đốt, áp suất tăng cao, quá trình cháy là đẳng áp, thực tế
trên đồ thị minh họa sự mất mát (từ 3 đến 4) có sự sụt giảm áp suất so với
đẳng áp pt 3 .

-

Điểm 5-6: Cửa đẩy, áp suất giảm mạnh. Lực đẩy được tạo ra do sự mở
rộng của cửa đẩy. Lực đẩy có thể giảm đi do sự mất mát cho ma sát trên

5


Chương I: Giới thiệu động cơ trên âm Scramjet và vùng cách ly
tường gây ra, nếu mất mát lớn thì lực đẩy có thể giảm đến mức nhỏ hơn
tổng lực cản, động cơ ngừng hoạt động.
Do đó để động cơ có thể hoạt động tuần hồn được thì phải đảm bảo các điều
kiện sau:
+ Thiết kế cửa vào phải đảm bảo độ nén của dòng vào động cơ
+ Buồng đốt có thể làm nóng khí nén, có thể đạt được điều này bằng
cách trộn nhiên liệu vào trong dịng khơng khí vào
+ Ống đẩy có độ mở rộng phù hợp để khí cháy tạo lực đẩy tốt nhất
Sự mất áp và mất nhiệt tạo ra vận tốc giới hạn động cơ. Ramjet có vận tốc
giới hạn nhỏ hơn động cơ scramjet là do ramjet cần giảm vận tốc khí vào tới mức
dưới âm khi đưa khí vào buồng đốt. Với quá trình bay ở số Mach lớn thì tổng áp
suất mất mát trong q trình nén khí, mức giảm vận tốc cao, do đó scramjet cần bay
ở số Mach thích hợp để mất mát ít nhất và vẫn duy trì được hoạt động.
Những yếu tố quyết định tới hiệu suất của động cơ scramjet:
-

-

Scramjet cũng như ramjet không thể hoạt động ở vận tốc khơng khí
nhỏ do chúng cần giảm vận tốc khơng khí để nén đến một áp suất cần
thiết. Chúng cần phối hợp hỗ trợ nhau và với động cơ hoạt động được
ở số Mach thấp.
Dịng khí có số Mach cao trên các bề mặt tiếp xúc với khí ở trong
động cơ, do đó lực cản lớn sẽ sinh ra trên các bề mặt ấy. Để đảm bảo
động cơ hoạt động thì lực đẩy phải lớn hơn tổng lực cản. Tổng hiệu
năng của động cơ bị ảnh hướng lớn nếu có thay đổi của bất kì thành
phần nào.

Để đạt được hiệu suất nén như lý tưởng phải tính tốn góc đón dịng và các
thơng số sóng va. Hiệu suất liên hệ chặt chẽ với tỉ lệ nhiệt độ đầu vào và nhiệt độ ở
cuối q trình. Do đó phải tăng nhiệt độ khơng khí trước khi vào buồng đốt, hệ quả
là làm rộng hơn bền mặt tiếp xúc khơng khí trong động cơ. Để hiệu suất cháy cao
thì phần khơng khí cần được trộn trước khi đốt, tiếp tục tăng diện tích tiếp xúc khí,
lại một lần nữa tăng ma sát và lực cản. Động cơ scramjet được thiết kế tốt ưu để đạt
được những tiêu chuẩn này. Trong trường hợp lý tưởng thì buồng đốt scramjet đốt ở
điều kiển đẳng áp nhưng thực tế thì sự tăng nhiệt độ luôn kèo theo tăng áp trong
6


Chương I: Giới thiệu động cơ trên âm Scramjet và vùng cách ly
một mặt cắt nào đó của buồng đốt. Đồ thị dưới đây thể hiện phân bố áp suất trên
thành buồng đốt tại mỗi mặt cắt của buồng đốt động cơ với các mức phun nhiên liệu
khác nhau và bay tại vận tốc khác nhau[2].

Hình 3: Phân bố áp suất trên thành động cơ khơng có nhiên liệu[2]

Tầng đầu tiên là khoảng giữa hai đường nét đứt đầu tiên, có tỉ lệ phun nhiên
liệu là 1 = 0.27, tầng thứ hai là tầng sát ngay sau tầng 1 có 2 = 0.24. Điểm trung
tâm của vòi phun tạo ra một vùng áp suất tăng. Áp suất tăng làm ảnh hưởng tới
trường dịng khí đi vào động cơ. Trong trường dòng trên âm, áp suất tăng làm dòng
trào ngược theo phần dòng dưới âm trên thành buồng đốt. Nếu dòng vào động cơ va
trực tiếp với dịng ngược này thì hậu quả làm hạn chế lưu lượng dòng vào và ảnh
hưởng trực tiếp đến động cơ. Do đó vùng vùng cách ly là cần thiết để bảo vệ dòng
vào khỏi tác động của áp suất tăng. Khi đó lực cản ma sát trên thành vùng cách ly
phải đủ lớn để mang lại một hiệu suất tốt cho động cơ. Do vậy vùng cách ly cần có
độ dài cần thiết để cản dòng trào ngược[2].

7


Chương I: Giới thiệu động cơ trên âm Scramjet và vùng cách ly

Hình 4 : Phân bố áp suất trên thành buồng đốt khi bơm nhiên liệu. [2]
Áp suất tăng trong q trình đốt có thể được lượng hóa bởi hàm của tổng
nhiệt độ cháy. Quan hệ giữa áp suất tăng, nhiệt độ, tỉ số diện tích mặt cắt thể hiện
trong biểu đồ sau[2]:

Hình 5: Biểu đồ quan hệ giữa các thông số [2]
Vùng cách ly là cần thiết trong động cơ scramjet vì:
-

Cần thiết để bảo vệ cửa hút động cơ khỏi tác động tăng áp suất đột
ngột của buồng đốt trên âm
Bảo vệ ống hút của động cơ khỏi tác động tăng áp suất bởi sóng va
thẳng (tương tự mơ hình động cơ ramjet)

Dịng khí được nén tới áp suất cần thiết trước khi vào buồng đốt được thực
hiện bởi dãy sóng va trong vùng cách ly giữa buồng đốt và ống hút. Dãy sóng va
gặp phải áp suất tăng (ví dụ như tại họng buồng đốt) [2].
8


Chương I: Giới thiệu động cơ trên âm Scramjet và vùng cách ly
1.2 Vùng cách ly (vùng cách ly)
1.2.1 Cấu trúc dòng trong vùng cách ly của scramjet
Cấu trúc của dòng trên âm bị hạn chế bởi thành vùng cách ly và chịu tác
động mạnh mẽ của gradient áp suất, tham số này rất quan trọng trong thiết kế vùng
cách ly của scramjet. Xem hình sau, gradient áp suất phải chịu ảnh hưởng của dịng
trên âm dưới dạng sóng va. Nếu khơng có lớp biên trên thành vùng cách ly thì sẽ
hình thành sóng va tương tự dịng ngồi (tương tự dịng phía ngồi máy bay). Tuy
nhiên khi sóng va kết hợp với lớp biên tạo ra một loạt các sóng va xiên, trải dài, đan
xen nhau làm tăng áp suất lên trên mỗi đơn vị chiều dài thành vùng cách ly. Hiện
tượng này gọi là dãy sóng va hay loại sóng va, được mơ tả bởi vùng tách dịng trên
tường, vùng lõi dòng trên âm, gradient áp suất ảnh hưởng bởi vùng tách thành, từ đó
hình thành một dãy sóng va xiên trong lõi dịng. Vùng trộn tạo ra giữa lõi dòng và
dòng tách, là áp suất tăng trong lõi dịng và chống lại lớp sóng va trên biên của vùng
tách thành gần tường. Dòng sẽ xuất hiện lại tại một số điểm và vùng trộn sẽ hình
thành lại áp suất. Những phân tích trên có thể dùng để báo trước hiện tượng và phục
vụ trong thiết kế vùng cách ly cho động cơ trên âm scramjet[3].

Hình 6: Cấu trúc dòng trong vùng cách ly [3]
Theo hai nghiên cứu của McLafferty năm 1950 và Waltrup và Billig năm
1970, họ đã theo dõi được sự ảnh hưởng của áp suất tăng (P / P) , chiều dài mà dãy
sóng va trải ra D1/2 1/2 và phần nghịch đảo (M2 1)(Re )1/4 , trong đó D là đường
kính ống, M là số Mach trong dòng,  là chiều dày động lượng lớp biên trong vùng
lớp biên và Re là số Reynolds của động lượng tại độ dày nào đó của vùng lớp biên.

Thực hiện thí nghiệm trong khoảng số Mach từ 1.5 đến 2.7. Waltrup và Billig đã

9


Chương I: Giới thiệu động cơ trên âm Scramjet và vùng cách ly
tìm ra độ dày lớp biên dẫn đến chiều dài của dãy sóng va và sự phát triển thực tế
liên quan đến s, khoảng cách cấu trúc sóng va trải dài:
s(M2 1)(Re )1/4
 P 
 P 
 50    170  
1/2 1/2
D 
 P
 P

2

(1) [3]

Hình sau thể hiện hình dạng của phương trình bậc hai ẩn (P / P) [3].

Hình 7: Tương quan của dữ liệu thực nghiệm dãy sóng va [3]
Dựa trên số lượng lớn dữ liệu thực nghiệm ở điều kiện số Mach khác nhau,
số Reynolds trong những kích thước vùng cách ly khác nhau. Ortwerth chỉ ra rằng tỉ
lệ áp suất tăng trong vùng cách ly là tỉ lệ trực tiếp với áp suất động của dòng vào và
hệ số nhiệt trên tường tại điểm ban đầu xảy ra tách dòng trong vùng cách ly, và tỉ lệ
nghịch với đường kính vùng cách ly. Thể hiện trong biểu thức sau:
 V 2 

dP 89

Cf 0 

dx DH
 2 

(2) [3]

Trong đó DH là đường kính thủy lực của vùng cách ly, C f 0 là hệ số nhiệt trên
điểm đầu của tách dòng. Quan hệ này cung cấp định nghĩa về chiều dài tỉ lệ với áp
suất tăng lên trải ra trong vùng cách ly, sử dụng trên mặt cắt trong tính tốn dịng
một chiều của đặc tính dịng.

10


Chương I: Giới thiệu động cơ trên âm Scramjet và vùng cách ly
1.2.2 Mơ hình khuếch tán phân tích dịng trong vùng cách ly
Phân tích q trình cháy scramjet cần phương pháp phân tích dịng một
chiều. Thực tế dịng cháy thực trong scramjet là khác xa so giữa các mặt cắt ngang
động cơ, để phân tích đúng, thực nghiệm cho ta một hiệu suất của mơ hình vùng
cách ly và vùng cháy của scramjet. Trong khuôn khổ đề tài này chỉ giới thiệu
phương pháp dự đoán phân bố áp suất trên vùng chống ảnh hưởng đến vùng cháy
của động cơ (vùng cách ly). Do đó là cần thiết phải so sánh với dữ liệu thực
nghiệm[3].
Các tham số: diện tích lõi dòng đi qua vùng cách ly  Ac  , diện tích vùng cách
ly thực là (A), phần cịn lại là dịng tách. Nhiên liệu và khơng khí được coi là đốt
cháy trong 1 phần tử hình thang như trên hình minh họa, lực ma sát là dFr   W AW
áp dụng với tường, nhiệt lượng mất đi là dQ. Dịng nhiệt có hằng số tỉ lệ nhiệt lượng

riêng  , hằng số khí R, hằng số nhiệt lượng riêng áp suất cp . Nhiệt đốt giải phóng
là hpr , sự thay đổi trong tổng enthalpy của dòng như sau:
dH  hpr fst d  dQ

(3) [3]

Trong đó f st là hệ số tỉ lệ của cân bằng hóa học của nhiên liệu đến khơng
khí, d là tỉ lệ tương đương của nhiên liệu đốt cháy trong chiều dài dx. Tương ứng
với sự thay đổi tổng nhiệt độ của dòng là dTt  dHt cp . Phần biên gần dịng tách có
hệ số ma sát là  W  C f V 2 2 và AW  4 Adx D , trong đó D là đường kính thủy lực
của vùng cách ly[3]

11


Chương I: Giới thiệu động cơ trên âm Scramjet và vùng cách ly

Hình 8: Một phân tố dịng tách[3]
Theo các phương trình bảo tồn ta được:
d





dV dAc

0
V
Ac

(4) [3]

dp  M 2 4C f dx  M 2 Ac dV 2


0
p
2
D
2 A V2

(5) [3]

dT   1 2 dV 2    1 2  dTt

M
 1
M 
T
2
V 2 
2
 Tt

(6) [3]

Những phương trình này ứng dụng cho lõi dịng, ma sát và mất nhiệt tính
tốn dựa trên diện tích vật thể. Kết hợp với phương trình trạng thái dịng và định
nghĩa số Mach:

dp d  dT


0
p
 T
dM 2 dV 2 dT


0
M2 V2
T

(7) [3]
(8) [3]

Như vậy chúng ta có 5 phương trình nhưng có 8 ẩn số, biến số thay đổi diện
tích  dA / A và nhiệt độ tổng thay đổi  dTt Tt  được coi là biến đổi khơng phụ
thuộc. Nếu dịng là dịng gắn, phương trình gần đúng thể hiện đặc tính phân bố dịng
1-D của dòng trong vùng cách ly được giải. Nếu dòng là dịng tách, ta có thêm một
12


Chương I: Giới thiệu động cơ trên âm Scramjet và vùng cách ly
phương trình mở rộng với biến mở rộng Ac . Phương trình này là quan hệ phân tán
của Orwerth. Sau quá trình biến đổi, ta được quan hệ vi phân bậc hai của số
Mach[3]:

d M 2 
M2



dx
4
C
f

   1 2  dp p
D  dTt 
 1 
M 

2
Ac
2
Tt 

   M Ac
 2 A

A

(9) [3]

Mối liên hệ này thể hiện quan hệ giữa số Mach và lượng khếch tán  dP / P ,
lượng nhiệt giải phóng  dTt Tt  và phân bố trục ma sát C f kết hợp với

Ac
:

A

2
d  Ac A 1  M 1   1  Ac A  dp  1  (  1)M2 
dx   1 2  dTt

 1
M 
 
 4C f
2
Ac A
 M Ac A
D 
2
 Tt

 p  2 Ac A 

(10)

Xác định phân bố trên trục vùng cách ly của số Mach và Ac A với hàm diện
tích A(x) và phân bố nhiệt tạo ra, Tt  x  và C f , những phương trình này được tích
phân với tiêu chuẩn giải ODE cho nhiều phương trình.
Phương pháp này đang được áp dụng cho động cơ scramjet tại số Mach 7 và
áp suất động 50 kPa. Để thống nhất kí hiệu, những kí hiệu có chỉ số 0 là đại diện
cho dòng vào ban đầu, trước cửa vào, ví dụ dịng đi qua diện tích cửa vào Ao. Chỉ
số 1 là cho dịng phía sau sóng va đầu tiên và đại diện cho dòng đi vào cửa vào
động cơ. Chỉ số 2 tại họng của cửa vào, tại diện tích mặt cắt nhỏ nhất của dịng đi
qua, khoảng giữa 2 và 3 là vùng cách ly. Chỉ số 3 là tại mặt cắt bắt đầu đi vào buồng

đốt, khơng khí và nhiên liệu được trộn và đốt cháy đến cuối buồng đốt là chỉ số 4.
Ống đẩy là bao gồm phần dòng mở rộng trong chỉ số 9, và dịng mở rộng ở ngồi
chỉ số 10 ở cuối động cơ[3].
Giả sử tại họng cửa vào (chỉ số 2) sẽ là M 2 = 3.6, p2 =50 kPa, T2 =650 K,

Ht 2 = 2.35 MJ/kg. Đặc tính phân phối dòng trên trục trong vùng cách ly và buồng
đốt với đường kính 0.06 m và tỉ lệ là 2 sẽ được tính tốn ở các mức nhiên liệu khác
nhau. Đầu vào của vùng cách ly tại x2 = 0.0 m và nhiên liệu hydrogen ( hpr = 120
13


Chương I: Giới thiệu động cơ trên âm Scramjet và vùng cách ly
M/kg) được phun tại x3 = 0.2 m (vị trí bắt đầu buồng đốt). Lượng nhiên liệu và
khơng khí tại trạng thái đặc biệt được đặc trưng bởi tỉ lệ trộn nhiên liệu và khơng
khí c  X  , theo công thức sau[3]:




X

1    1 X 

c  c,tot 

(11) [3]

Trong đó c,tot là hệ số cháy tại cuối buồng đốt, X  ( x  x3 ) / ( x4  x3 ) và 
là hằng số kinh nghiệm khoảng từ 1 đến 10 phụ thuộc vào tỉ lệ trộn. c,tot được chọn
là 0.8 tại tất cả các khoảng thời gian, và  = 5. Các giá trị này được lý tưởng để

hiệu suất động cơ cao. Từ phương trình trên, ta có phương trình nhiệt sinh ra như
sau:

Tt  Tt2   hpr f stc  dQ  c p

(12) [3]

Với hệ số ma sát về mặt là hằng số C f  0.002 và lượng nhiệt mất đi (dQ)
(tính tốn sử dụng Reynolds), nhiệt độ tường Tw  600K ta tính được ma sát bề
mặt.
Tại các mặt cắt trong vùng cách ly phía trước vị trí phun nhiên liệu  = 1.37,
R = 287 J/kg/K và cp = 1063 J/kg/K. Trong buồng đốt  = 1.31, R = 297 J/kg/K

và cp = 1255 J/kg/K, đặc tính của mơ hình trong thực tế là tỉ lệ trộn đa đạng và biến
đổi dựa trên chiều dài buồng đốt. Hình dưới chỉ ra kết quả tính tốn đặc tính dịng 1D trong vùng cách ly cho trường hợp tỉ lệ tương đương nhiên liệu trên một đơn vị
chiều dài buồng đốt  = 0.5 [3].

14


Chương I: Giới thiệu động cơ trên âm Scramjet và vùng cách ly

Hình 9: Nhiên liệu tại Φ=0.5, dịng gắn chảy qua vùng cách ly và buồng
đốt[3]
Trong mặt cắt vùng cách ly, số Mach giảm, nhiệt độ và áp suất tăng do tác
động của ma sát trên thành vùng cách ly. Tại điểm bắt đầu của buồng đốt, đặc tính
dịng được tính tốn lại để phù hợp với các giá trị  và R sử dụng trong môi trường
buồng đốt, sử dụng các phương trình bảo tồn năng lượng, khối lượng, động lượng
và tổng enthalpy thông qua mặt cắt lớp biên giữa vùng cách ly và buồng đốt. Nhiên
liệu được phun vào, kết quả là dọc theo chiều dài buồng đốt số Mach giảm, nhiệt độ

và áp suất tăng biến đổi tăng do ảnh hưởng của buồng đốt và diện tích mặt cắt tăng,
Điểm cực đại của nhiệt độ và áp suất trong vùng cách ly là P / P2 = 2.19 và T/ T2 =
2.61, số Mach nhỏ nhất là M = 1.48. Kết quả phân tích được đánh giá trong khơng
gian 1 chiều, đặc tính trên âm của dòng đi ra khỏi buồng đốt tại x4 = 0.5 m.
Trường hợp tiếp theo, tăng mức nhiên liệu, tính tốn áp suất tăng và nghiên
cứu tại điểm tách dòng xảy ra. Khi tách dòng xảy ra, sử dụng phương pháp xác định
vị trí tách dịng trên trục, xác định diện tích lõi dịng nhỏ hơn diện tích thực của
vùng cách ly cho đến khi dòng gắn trở lại vùng cách ly. Hiện tượng này được tìm
thấy ở vị trí duy nhất xuất hiện điểm tách dòng và dòng sẽ gắn chở lại thành sau khi
đi vào vùng phân kì. Hơn nữa, nếu lõi dòng giảm xuống dưới âm trong vùng tách
dịng, thì phần dịng gắn cũng dưới âm, sau đó dòng được tăng tốc trở lại sau khi đi
qua họng nhiệt.
15


Chương I: Giới thiệu động cơ trên âm Scramjet và vùng cách ly
Trường hợp tiếp theo tính tốn đặc tính dòng trong ống với tỉ lệ tương đương
nhiên liệu trên một đơn vị chiều dài buồng đốt  = 0.75. Áp suất tăng cao đủ để
tách dịng và phân tích vòng lặp chỉ ra điểm bắt đầu tách dòng tại x = 0.18 m. Lõi
dòng bắt đầu phân tách khi ở điểm này, diện tích nhỏ nhất Ac / A 2 = 0.822. Việc đốt
nhiên liệu đẩy dịng về phía trước và dòng gắn thành tại điểm x = 0.213 m là điểm
sau khi phun nhiên liệu với M = 2.027. sau khi dịng gắn thì Mach tiếp tục giảm đến
giá trị nhỏ nhất là M = 1.087, và áp suất tiếp tục tăng đến P P2 = 3.51, sau đó dịng
tăng tốc trở lại do tác động của ống loe và trở thành dịng trên âm [8].

Hình 10: Φ= 0.75, tách dịng xảy ra và sau đó gắn dịng tăng tốc[3]
Trường hợp thứ 3 tính tốn đặc tính dịng trong vùng cách ly với tỉ lệ tương
đương nhiên liệu trên một đơn vị chiều dài buồng đốt  = 0.81. Trường hợp này áp
tăng đủ để gây ra tách dịng, nhưng trong ví dụ này áp tăng do buồng đốt đẩy dịng
tách về phía trước vịi phun tại x = 0.099 m. Hơn thế nữa, số Mach của lõi dịng

giảm xuống dưới 1 có hình thái như “họng nhiệt”. Sau khi tách dịng điện tích lõi
dịng giảm đến giá trị nhỏ nhất là Ac / A 2 = 0.882 tại điểm bắt đầu buồng đốt.
Buồng đốt sau đó tác động lên lõi dòng đến khi dòng gắn trở lại và số Mach giảm
xuống dưới 1, tại điểm gắn dòng x = 0.284 với số Mach là 0.96. Áp suất đạt đỉnh tại

16


Chương I: Giới thiệu động cơ trên âm Scramjet và vùng cách ly
điểm gắn dòng với P P2 = 4.24. Dòng được tăng tốc trở lại tại họng nhiệt, x =
0.295 và biến thành dịng trên âm [8].

Hình 11: Φ = 0.81, tách dòng với họng nhiệt [3]
So sánh các hình ở ba trường hợp trên, có thể thấy q trình đẩy dịng trở lại
do ảnh hưởng của áp tăng buồng đốt, lượng nhiệt mất đi cũng ngày càng tăng. Với

 = 0.81 tách dịng có chiều dài khoảng một nửa chiều dài vùng cách ly và người
thiết kế sẽ phải quyết định nếu vùng cách ly mở rộng một cánh hợp lý để tăng hiệu
suất buồng đốt.
Những phân tích này có vai trị quan trọng trong nghiên cứu với giả thiết là
khí lý tưởng, tuy nhiên chưa giống với dịng thực tế và chưa áp dụng các hiện tượng
hóa học trong nghiên cứu.
Thiết kế vùng cách ly là chọn chiều dài cần thiết cho vùng cách ly để hạn chế
dòng trào ngược. Xác định chiều dài cần thiết phải đựa trên mơ hình tách dịng và
dịng khuếch tán trong vùng cách ly. Mơ hình dịng khuếch tán của Orwerth thực
hiện đầy đủ trong phương pháp 1-D. Phân bố của lượng nhiệt mất đi trong buồng
đốt và trong vật thể, mơ hình khuếch tán có thể dự đốn chiều dài dòng trào ngược
để đưa ra chiều dài cần thiết vùng cách ly .

17