基于激光吸收光譜技術的脈沖爆轟發(fā)動機流場測試研究.pdf

1、脈沖爆轟發(fā)動機（Pulse Detonation Engine，簡稱PDE）作為一種基于爆轟燃燒的新概念推進系統(tǒng)，具有非常廣泛的應用前景。目前針對PDE的理論與實驗研究均得了很大的進展，但是實現其工程化應用還面臨著很多難題和挑戰(zhàn)。流場溫度、速度及燃氣組分濃度等參數的動態(tài)變化能夠更加準確的描述PDE的整個工作過程，從而為PDE性能提升研究提供重要輔助作用。開展針對PDE流場參數的測試研究工作具有重要的工程應用價值。激光吸收光譜技術作為一種

2、非接觸式氣體在線測試手段，憑借其獨特的單譜線掃描方式、極快的響應速度與極高的環(huán)境適應性等優(yōu)點，成為PDE流場參數的有效診斷技術。本文基于激光吸收光譜技術，針對無閥式氣液兩相PDE的管內外流場參數開展了測試研究，對PDE的工作過程、沖量特性及燃氣溫度組分分布進行了診斷分析，對多光路非均勻流場二維重建算法進行了仿真研究。主要內容如下:
　　(1)針對變壓力環(huán)境下的吸收光譜特性進行了研究分析。在負壓環(huán)境下對4388.77cm-1CO譜線

3、進行了譜線參數標定，為PDE燃氣組分CO測試研究提供更準確的譜線參數。以CO2為特征氣體，對6330～6337cm-1波段譜線在高壓環(huán)境下的吸收光譜加寬特性進行了仿真與實驗研究。針對高壓環(huán)境下吸收光譜嚴重加寬且基線上移從而導致吸收率計算誤差加大的問題，提出了一種基于直接完整透射光的吸收率計算方法，從透射光信號中直接獲取光譜吸收率、線寬及譜線中心波數等關鍵光譜參數，為激光吸收光譜技術應用于PDE工作過程中高壓燃氣噴射階段的測試研究計算基礎

4、。
　　(2)根據雙譜線測試原理設計搭建了基于波分復用技術的光纖分布式PDE管內燃氣測試系統(tǒng)，實現了流場參數測試的遠程控制，并對PDE的工作過程進行了診斷分析。采用7158.6/7444.35cm-1譜線對PDE管內流場燃氣溫度與H2O組分濃度進行了同步測試實驗。創(chuàng)新性地利用PDE工作循環(huán)過程中吸收光譜峰值變化與激光信號強度變化兩種方法對無閥式PDE填充進程完成所需時間進行判斷，并以此判斷填充系數對應點火時間間隔。對不同填充系數條

5、件下的發(fā)動機爆轟效果進行測試研究，分析穩(wěn)定爆轟形成所需填充系數條件。當前實驗條件下，當填充系數大于或等于84％時PDE管內可形成穩(wěn)定爆轟，而填充系數小于等于76％時PDE管內的燃燒方式為爆燃，并未形成穩(wěn)定爆轟;對PDE工作過程中燃氣溫度及H2O氣體濃度變化情況進行了同步監(jiān)測，并對PDE從爆轟形成傳播、高溫高速燃氣噴射、廢氣排放及燃料氧化劑填充的整個工作過程進行了分析研究;采用4338.77cm-1吸收譜線對不同工況下CO氣體濃度的變化情

6、況進行監(jiān)測，研究不同燃料當量比對PDE工作過程的影響。在燃料當量比1.09～1.31范圍內，當量比對PDE工作循環(huán)前期的爆轟形成傳播及高溫高速燃氣排放階段的影響要低于管內緩燃效應的影響。
　　(3)基于吸收光譜技術對PDE沖量特性進行了分析研究。根據雙譜線測溫法及多普勒測速法分別對PDE管口處燃氣溫度及速度開展了測試研究工作，根據動量原理計算燃氣沖量，實現了PDE沖量的間接測量，獲得了PDE單個工作循環(huán)過程中的燃氣密度、沖量及排氣

7、質量等燃氣排放參數的變化情況。當前實驗條件下，單次爆轟循環(huán)過程中PDE產生的總沖量為1.87N·s，其中燃氣動量貢獻的部分占總沖量的69.7％。爆轟燃氣動量對沖量的貢獻在爆轟附著膨脹階段、壅塞膨脹階段、膨脹減弱階段及緩燃階段分別占總沖量的53.0％、27.8％、6.7％和12.5％，相應的燃氣排放質量占總質量百分比分別為17％、29.6％、16％和37.4％，緩燃階段所產生的沖量要遠低于爆轟附著膨脹及壅塞膨脹階段所產生的沖量。
　

8、　(4)針對PDE管外流場邊界不確定且實時變化的特點，引入單光路非均勻流場測試技術，對PDE管外非均勻流場燃氣溫度及H2O濃度分布情況進行了測試研究。采用CE/SE算法對PDE管外流場分布情況進行了數值仿真研究，并以此建立兩段式矩形分布模型、考慮溫度邊界效應的梯形分布模型及高斯分布模型三種管外流場分布模型假設，并通過誤差分析選取梯形分布模型開展PDE管外非均勻流場參數測試研究?；趩喂饴贩蔷鶆蛄鲌鰷y試原理選取四條特征吸收譜線(7170.

9、28cm-1、7170.28cm-1、7185.60cm-1和7444.35cm-1)，利用時分復用技術使選取的吸收譜線同時掃描PDE管外流場測試區(qū)域，并根據吸收譜線穿過測試區(qū)后的光譜吸收率建立非線性方程組，采用最小二乘計算方法進行求解，獲得了不同測試點處燃氣溫度及H2O組分濃度在PDE單個工作循環(huán)過程中的參數變化情況?；赑DE管外溫度場分布重建結果計算當地聲速，提出利用聲波與爆轟波在傳播速度上的顯著差異對PDE噪聲近遠場分界點進行判

10、定的方法。
　　(5)針對PDE管外流場溫度變化范圍較廣的測試條件，提出了應用于多光路吸收光譜二維流場重建中的自適應代數迭代重建算法(SAATA)，并通過多種投影重建仿真，對SAATA算法在燃燒場二維重建中的可行性進行了考察。SAATA算法具有較高的溫度靈敏度，在300～3000K溫度范圍內均能較好地實現溫度場與濃度場的重建;在溫度變化平緩與陡峭兩種情況下的流場重建中均能較準確地捕捉到流場形狀、溫度峰值位置與幅值等流場特征;SAA