噴管對(duì)氣液兩相脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)非定常流場(chǎng)特性影響的研究.pdf

1、脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)（Pulse Detonation Engine，簡(jiǎn)稱PDE）是一種利用脈沖式爆轟波產(chǎn)生周期性沖量的新概念推進(jìn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有燃燒效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、推重比高、工作范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。噴管作為提高發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)性能的一種手段，被廣泛用于定常工作的發(fā)動(dòng)機(jī)。然而，由于脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中存在復(fù)雜波系以及其非定常工作特性，基于定常工作模式的發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的設(shè)計(jì)理論和概念不再完全適用。因此，研究脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的工作特性及其推力增益，對(duì)促進(jìn)

2、脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)工程應(yīng)用具有重要意義。論文針對(duì)汽油/空氣火箭式脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)（Pluse Detonation Rocket Engine，簡(jiǎn)稱PDRE）的噴管開展數(shù)值與實(shí)驗(yàn)研究，研究工作主要內(nèi)容為:
　　(1)建立了帶錐形擴(kuò)張噴管汽油/空氣PDRE內(nèi)外流場(chǎng)計(jì)算模型，構(gòu)建了適合于錐形邊界的帶源項(xiàng)結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格CE/SE方法，并運(yùn)用該方法數(shù)值研究了噴管內(nèi)不同填充工況對(duì)汽油/空氣PDRE內(nèi)外流場(chǎng)和推進(jìn)性能的影響。研究結(jié)果表明:結(jié)構(gòu)化三

3、角形網(wǎng)格CE/SE方法可以高效捕捉直管和擴(kuò)張管中的爆轟波等強(qiáng)間斷和內(nèi)外流場(chǎng)細(xì)節(jié)。噴管內(nèi)燃料填充率對(duì)PDRE的排氣時(shí)間影響不大。當(dāng)擴(kuò)張噴管內(nèi)燃料填充率小于某臨界值時(shí)，填充率越大填充位置后的激波壓力峰值隨位置的增加下降速度越快;當(dāng)噴管內(nèi)填充率大于等于臨界值時(shí)，前導(dǎo)激波傳至噴管出口時(shí)壓力峰值相差很大，此填充工況下燃料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)性能起主導(dǎo)作用，發(fā)動(dòng)機(jī)沖量隨填充率增加而增大，且在滿填充工況下達(dá)到最大。
　　(2)在Chang提出的CE/S

4、E方法思想的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了適合于汽油/空氣脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)兩相流場(chǎng)的帶源項(xiàng)非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格CE/SE方法，應(yīng)用該方法數(shù)值研究了多種結(jié)構(gòu)噴管對(duì)汽油/空氣PDRE爆轟和排氣流場(chǎng)和該階段發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)性能的影響。研究結(jié)果表明:帶源項(xiàng)非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格CE/SE方法可以清晰刻畫復(fù)雜管中的爆轟波、激波等細(xì)節(jié)，以及膨脹波、渦系結(jié)構(gòu)等內(nèi)外流場(chǎng)細(xì)節(jié)。爆轟波傳過(guò)塞式收斂擴(kuò)張噴管喉部后，拐點(diǎn)處出現(xiàn)低壓高速環(huán)區(qū)。擴(kuò)張噴管和拉伐爾噴管排氣后期管口和噴管內(nèi)出現(xiàn)激波等過(guò)膨

5、脹現(xiàn)象。直噴管、擴(kuò)張噴管、收斂噴管、拉伐爾噴管和塞式收斂擴(kuò)張噴管中，含收斂段的噴管排氣時(shí)間增長(zhǎng)。當(dāng)環(huán)境壓力為0.1MPa、填充率為1時(shí)，在爆轟和排氣進(jìn)程中除擴(kuò)張噴管外其它噴管均增加了發(fā)動(dòng)機(jī)沖量。
　　(3)建立了帶噴管汽油/空氣兩相PDRE多循環(huán)內(nèi)外流場(chǎng)計(jì)算模型，研究了多循環(huán)模式下擴(kuò)張噴管、收斂噴管、拉伐爾噴管以及塞式收斂擴(kuò)張噴管的流動(dòng)機(jī)理和增推機(jī)理。研究結(jié)果表明:在多循環(huán)模式下，PDRE外流場(chǎng)中前導(dǎo)激波以葫蘆型向下游發(fā)展傳播。除

6、塞式收斂擴(kuò)張噴管外，其它噴管至填充完成時(shí)管內(nèi)和管口附近燃料液滴容易集中在中心軸附近，噴管內(nèi)燃料所能到達(dá)的徑向分布不易超過(guò)噴管入口或者喉部直徑相當(dāng)?shù)膹较蚱矫?塞式收斂擴(kuò)張噴管燃料液滴則主要沿該噴管的直管壁面內(nèi)側(cè)分布，塞型結(jié)構(gòu)下游分布較少。當(dāng)填充率為1、環(huán)境壓力為0.1MPa時(shí)，多循環(huán)模式下各噴管對(duì)汽油/空氣PDRE的推力增益表現(xiàn)為:與無(wú)噴管工況相比，除擴(kuò)張噴管外其它噴管均取得了正的推力增益，其中拉伐爾噴管的沖量最大，塞式收斂擴(kuò)張噴管其次。

7、
　　(4)搭建了汽油/空氣火箭式脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，根據(jù)數(shù)值研究結(jié)果設(shè)計(jì)加工了五類噴管，實(shí)驗(yàn)研究了噴管形狀及尺寸對(duì)汽油/空氣PDRE的爆轟特性、推力壁壓力和推進(jìn)性能的影響。研究結(jié)果表明:滿填充工況各類噴管內(nèi)的變截面爆轟特性不同，收斂噴管內(nèi)壁面壓力峰值大于爆轟管壓力峰值;其它帶擴(kuò)張段的噴管則相反，且擴(kuò)張角度越大，噴管內(nèi)壁面壓力峰值越小，當(dāng)角度大于一定值時(shí)壓力峰值趨于穩(wěn)定。各噴管中拉伐爾噴管的排氣時(shí)間最長(zhǎng)，塞式收斂擴(kuò)張噴管在排氣

8、中加速減壓時(shí)間最長(zhǎng)。在填充率為1、環(huán)境壓力為0.1MPa、頻率為10Hz工況下實(shí)驗(yàn)得到了五類噴管的推力增益，且與數(shù)值研究結(jié)果一致。實(shí)驗(yàn)中拉伐爾噴管的出口面積增加則PDRE推力增益增大，但收斂段與擴(kuò)張段長(zhǎng)度比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力增益的影響較小。
　　(5)建立了氣動(dòng)型射流控制動(dòng)邊界噴管（簡(jiǎn)稱射流噴管）計(jì)算模型，數(shù)值研究了多循環(huán)模式下帶該噴管的汽油/空氣脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)外流場(chǎng)特性，分析了噴管型面、喉部面積等尺寸參數(shù)和二次引流總壓、位置、角度

9、等射流參數(shù)對(duì)噴管的實(shí)際膨脹比和發(fā)動(dòng)機(jī)的推力系數(shù)的影響。研究結(jié)果表明:射流噴管在爆轟、排氣初期可以實(shí)現(xiàn)滿流工作，而在排氣后期、隔離和填充進(jìn)程中通過(guò)射流對(duì)斜激波等過(guò)膨脹現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)節(jié)，改善了主流的實(shí)際膨脹比，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的推力系數(shù)。射流噴管的外壁采用鐘形型面有利于控制主流外側(cè)界面形狀;采用錐形型面有利于控制主流實(shí)際膨脹比和提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力系數(shù)。當(dāng)射流噴管的喉部面積采用比最大臨界喉部面積小15％的值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)可獲得最佳主流控制效果。射流總壓對(duì)射流

10、噴管中超音速主流外側(cè)界面和主流實(shí)際膨脹比影響不大，但會(huì)加劇噴管中實(shí)際喉部位置的后移現(xiàn)象。射流位置應(yīng)當(dāng)布置在噴管入口總壓剛好膨脹的截面之前，過(guò)于靠后會(huì)降低主流膨脹效果。采用90°射流入射角度有利于控制主流外側(cè)界面和主流實(shí)際膨脹比，提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力系數(shù)。
　　本文系統(tǒng)地研究了噴管對(duì)汽油/空氣兩相脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)非定常流場(chǎng)及性能的影響，提出了適用于該兩相PDRE的氣動(dòng)型射流控制動(dòng)邊界噴管，數(shù)值與實(shí)驗(yàn)研究了擴(kuò)張噴管、收斂噴管、拉伐爾噴管、塞式