脈沖爆轟發(fā)動機爆轟噪聲實驗與理論研究.pdf

1、脈沖爆轟發(fā)動機(Pulse Detonation Engine，簡稱PDE)是利用間歇式爆轟波產生高溫高壓燃氣形成推力的一種新概念發(fā)動機。PDE具有循環(huán)熱效率高、比沖大、結構簡單、重量輕和推重比高等優(yōu)點，在未來的航空航天與兵器領域具有廣闊的應用前景。但是PDE在工作時會產生較大的脈沖噪聲和強振動直接影響到飛行器隱身以及結構聲疲勞等，對PDE整體性能以及飛行器安全構成了嚴重威脅。隨著PDE技術的快速發(fā)展和各項關鍵技術的突破，PDE聲學性能

2、逐漸受到了重視，對PDE的聲學性能進行研究非常必要。本文搭建了能夠準確調節(jié)填充系數的氣液兩相PDE爆轟噪聲實驗平臺，研究了多循環(huán)下PDE管型與裝填條件(包括填充系數與當量比)對爆轟噪聲特性的影響。同時以PDE爆轟噪聲為研究對象，對爆轟噪聲形成與傳播過程進行理論建模，并編制相關數值計算程序對爆轟噪聲形成與傳播過程進行數值模擬。本文的主要工作如下:
　　(1)搭建了氣液兩相PDE爆轟噪聲實驗平臺，實現了不同區(qū)域內爆轟噪聲的測量，并對爆

3、轟噪聲時域上的物理特性進行了實驗研究。研究表明PDE爆轟噪聲主要由沖擊噪聲與射流噪聲組成。沖擊噪聲與射流噪聲都隨著距離的增加而減小。當距離較近時，射流噪聲衰減速度小于沖擊噪聲衰減速度;當距離較遠時，射流噪聲衰減速度大于沖擊噪聲衰減速度。爆轟噪聲聲壓曲線呈現明顯的L型變化規(guī)律，拐點之前爆轟噪聲峰值與徑向距離r的倒數滿足三次方變化規(guī)律;拐點之后爆轟噪聲峰值與徑向距離r的倒數滿足一次方變化規(guī)律。隨著距離的增加，0°方向上爆轟噪聲A持續(xù)時間先減

4、小后增加，B持續(xù)時間隨著距離增加而增加。當距離r較小時，隨著角度的增加，沖擊噪聲峰值與射流噪聲峰值隨之減小;當距離r較大時，指向性發(fā)生變化，30°方向的PDE沖擊噪聲峰值與射流噪聲峰值最大。
　　(2)針對爆轟噪聲特性，將PDE爆轟噪聲聲場劃分為強非線性區(qū)、弱非線性區(qū)和線性區(qū)三個區(qū)域。同時對爆轟波在管內形成與傳播以及爆轟噪聲在強非線性和弱非線性區(qū)內傳播過程進行數值模擬。其中爆轟波在管內形成與傳播以及爆轟噪聲在強非線性區(qū)傳播采用粘性

5、N-S方程進行描述，并采用時空守恒元和求解元方法(簡稱CE/SE方法)進行求解;弱非線性區(qū)域采用The Nonlinear Progressive-wave Equation(簡稱NPE方程)進行描述，并采用時間分裂方法將NPE方程分解成兩項，分別使用CE/SE方法與C-N方法進行求解。研究發(fā)現渦的形成與發(fā)展對中心軸線上膨脹腔結構形成具有重大影響，進而導致爆轟噪聲中射流噪聲波形發(fā)生震蕩。在弱非線性區(qū)內，隨著傳播距離的增加，非線性作用累積

6、，爆轟噪聲波形發(fā)生畸變同時爆轟噪聲波形峰值后移。
　　(3)采用傅里葉變換與小波變換，研究爆轟噪聲在全部和局部時間范圍的頻域特性。根據爆轟噪聲在不同小波系數下的能量比例不同，提出判別PDE工作狀態(tài)的新方法(η11/η5小于5為爆燃階段，η11/η5大于5為爆轟階段)。研究表明爆轟噪聲屬于寬頻噪聲，在0～100kHz范圍內均有信號存在，爆轟噪聲頻域信號由基頻和諧頻組成。在10～100Hz頻段內，隨著頻譜中爆轟噪聲頻率的增加，爆轟噪聲

7、信號強度基本保持不變;在100～1000Hz頻段內，隨著頻譜中爆轟噪聲頻率的增加，爆轟噪聲信號強度先減弱后增強;而在1000～100kHz頻段內，隨著頻譜中爆轟噪聲頻率的增加，PDE爆轟噪聲頻點聲壓級總體上呈現下降的趨勢。隨著角度增加，在100～1000Hz頻段內爆轟噪聲信號強度降低。儀器和導線等實驗測試設備和外界環(huán)境造成的噪聲能量主要在500～1000kHz頻段內;爆轟噪聲中較為陡峭的上升沿能量主要在15.62～125kHz頻段內;爆

8、轟噪聲原始信號能量主要集中在0～0.98kHz頻段內。爆燃階段，爆燃噪聲能量在中高頻與低頻均有較高的能量分布;爆轟階段，爆轟噪聲能量主要集中在低頻;管外爆轟階段爆轟噪聲能量低頻集中效應加劇。
　　(4)在搭建的氣液兩相PDE爆轟噪聲實驗平臺基礎上，研究了PDE管徑、噴管形狀與引射器對爆轟噪聲特性的影響。研究表明隨著管徑增大，所有角度下所有位置處爆轟噪聲峰值均增加。管徑越小，指向性由0°方向最大轉變?yōu)?0°方向最大的距離越短。當距離

9、較近時，管徑增大，爆轟噪聲A持續(xù)時間增加，當距離較遠時，正好相反。噴管能有效減小爆轟噪聲峰值，其中收斂擴張噴管降噪效果最好。收斂噴管收斂角度越大，指向性越明顯;相反的，擴張噴管和收斂擴張噴管出口口徑越大，指向性越不明顯。噴管有利于減小PDE爆轟噪聲參考半徑r0。對于擴張噴管而言，擴張角度越大，r0越小;對于收斂噴管而言，收斂角度越大，r0越小。加裝擴張噴管，幾乎所有頻率下的爆轟噪聲信號強度均下降，并且隨著擴張角度增加，減弱效果愈加明顯。

10、引射器長度增加，PDE推力增益增加并且有效聲壓級降低。所有形狀下的引射器均能增加PDE推力并降低有效聲壓級，其中擴張引射器效果最好。PDE推力增益與有效聲壓值均隨著引射器距管口距離的增加先增加后降低。綜合降噪與推力增益，可以得出最佳的引射器為x/DPDE=2、LEjector/DEjector=2.61下的擴張引射器。
　　(5)采用可調諧半導體激光吸收光譜技術對反應產物中的H2O組分進行了測量，搭建了能夠準確調節(jié)氣液兩相PDE填

11、充系數的實驗平臺，分析了當量比、填充系數對爆轟噪聲特性影響，同時對爆轟噪聲傳播時間誤差進行分析，并對其進行抑制。研究表明點火時間間隔隨著填充系數的增加而增大，但并非呈理想的正比例關系。隨著填充系數的增加，沖擊噪聲峰值與射流噪聲峰值隨之增大;在爆燃與爆轟的轉折點，沖擊噪聲峰值與射流噪聲峰值顯著增加。隨著填充系數的增加，當距離較近時指向性明顯，當距離較遠時指向性不明顯。隨著填充系數增加，10～50Hz頻段內的爆轟噪聲信號強度增強，50～20

12、0Hz頻段內的爆轟噪聲信號強度減弱。爆轟噪聲峰值、A持續(xù)時間與爆轟噪聲信號強度均隨著當量比增加先增加后減小，在當量比為1.1時，達到最大。利用光電傳感器采集點火頭點火時產生的光信號，以此判斷點火頭點火時間誤差可以忽略不計。爆轟噪聲最大到達時間誤差出現在0°方向上最高的填充系數下，達328.22μs。其中管內爆轟波傳播最大時間間隔誤差發(fā)生在過驅爆轟波形成階段，而管外爆轟噪聲最大時間間隔誤差發(fā)生在強非線性區(qū)。加裝收斂噴管明顯減小爆轟噪聲到達