脈沖爆震發(fā)動機微小型化研究.pdf

1、隨著科學研究、工業(yè)以及軍事方面對微型飛行器的需求增加，微小尺度動力推進系統(tǒng)在航空發(fā)達國家得到了高度的重視。由于爆震燃燒相對于傳統(tǒng)推進系統(tǒng)燃燒具有更高熱循環(huán)熱率以及強非定常特性，微小尺度脈沖爆震發(fā)動機成為該領域的研究熱點和難點。本文圍繞著脈沖爆震發(fā)動機微型化進行了小尺寸爆震燃燒系統(tǒng)設計和分析，并對相關物理問題進行了實驗和數(shù)值研究。為了揭示微小型管內緩燃轉爆震(Deflagration-to-Detonation，DDT)的機制以及爆震波傳

2、播動力學，進行了一系列的試驗和數(shù)值研究，具體研究內容包括微小尺寸管內爆震波觸發(fā)技術、火焰加速轉捩至爆震波的機制、爆震波反應流的流體動力學特性、三維爆震波結構和高分辨率的爆震數(shù)值模擬方法。
　　主要研究了料/空氣的微小尺度脈沖爆震發(fā)動機需要的關鍵技術包括高效的氣動閥進氣系統(tǒng)、快速響應的霧化和摻混技術、快速起爆技術、高效的高頻點火系統(tǒng)和可靠的點火技術、快速閉環(huán)的控制系統(tǒng)以及精確的實驗診斷和測量系統(tǒng)。本文對氣動閥式液態(tài)燃料的小尺寸脈沖爆

3、震發(fā)動機地面測試系統(tǒng)進行了詳細介紹，并對相關的系統(tǒng)和技術進行了驗證測試，提出了相應的改進措施。采用商用CFD軟件FLUENT對氣動閥的油氣摻混進行了數(shù)值模擬，利用數(shù)值結果對氣動閥結構進行了優(yōu)化。
　　設計了內徑分別為29mm，24mm和19mm的三種爆震管，幾種不同結構DDT強化裝置被安裝在不同長度可拆卸的爆震管內，結構包括Shchdkin螺旋、孔板、三葉片、小突片和激波反射裝置。航空煤油為燃料和空氣為氧化劑，采用不同的觸發(fā)爆震的

4、技術和措施，在氣動閥式小管徑脈沖爆震發(fā)動機系統(tǒng)上進行了低點火能量的多循環(huán)試驗來獲得穩(wěn)定的爆震波。利用壓力傳感器和離子探針研究了火焰和壓力波的傳播過程，分析了DDT不同的階段、煤油/空氣爆震波的特性、DDT時間和距離和點火延遲時間等;討論了管徑、管長和點火頻率對DDT過程的影響，歸納出了火焰加速、CJ爆燃波以及過驅動爆震相關的DDT機制。除此之外，本文還進行推力和燃油流量的測量研究，得出了小尺寸脈沖爆震發(fā)動機系統(tǒng)的性能特點以及最優(yōu)工作頻率

5、。
　　采用高精度、高網(wǎng)格分辨率的數(shù)值方法研究了微小型管內火焰加速和緩燃轉爆震機制?？刂品匠虨槎S包含反應流的Navier-Stokes方程，使用HLLC(Harten, Lax, van Leer, Contact)近似黎曼解結合并行自適應網(wǎng)格算法、高精度MUSCL-TVD型數(shù)據(jù)重構技術的有限體積法求解方程。利用基于層流火焰的起爆模型研究了光滑管壁管內火焰加速和觸發(fā)爆震波的機制、不同障礙物分布對火焰加速至爆震過程影響，基于數(shù)值結

6、果歸納出幾種不同火焰加速和觸發(fā)爆震波的機制;障礙物間距增加，火焰加速變慢，觸發(fā)爆震時間和距離增加;層流火焰加速至CJ爆燃波速度左右是觸發(fā)爆震波的必要條件，如果激波后壓縮混氣微團的反應時間足夠小，則誘導爆震發(fā)生。除了快速火焰加速機制外，前導激波與壁面強激波反射形成馬赫桿或前導激波強度，也是觸發(fā)穩(wěn)定爆震波必要條件;激波、火焰與渦的相互作用、激波誘導壓縮預熱的氣體微團快速反應也是觸發(fā)爆震波重要機制。
　　螺旋爆震波是一種在爆震波前沿伴隨

7、著爆炸的臨界傳播現(xiàn)象，是自相持爆震波最穩(wěn)定的極限傳播模式。如何快速在微型通道內形成螺旋爆震波和認識螺旋爆震波的傳播特性對研究爆震波在微型管內傳播具有重要意義。利用三維高分辨率的并行化反應流計算程序研究了微型通道內三維爆震波傳播動力學、爆震波前沿結構、不同初始擾動對螺旋爆震波形成的影響以及分析了螺旋爆震波的特征參數(shù)和爆震波前沿不穩(wěn)定性，得出了三維爆震波的結構、螺旋爆震波形成條件和機理。數(shù)值結果三維可視化表明:三維爆震波傳播模式和結構與已發(fā)

8、表的實驗以及數(shù)值模擬具有很好的一致性，并得出不同的子結構;自適應的螺旋爆震波是微型管內最穩(wěn)定的傳播模式，不對稱的初始流動擾動誘導的螺旋爆震波的形成時間最短;橫波動力學和爆震波前沿的壓力波動是螺旋爆震波形成的原因和其不穩(wěn)定性主要表現(xiàn);相關研究結果為微型管內的三維爆震波物理認識提供補充。
　　綜上所述，本研究歸納了微小型脈沖爆震發(fā)動機的關鍵技術，并進行了設計和驗證研究;多循環(huán)實驗揭示了小尺寸液態(tài)燃料的爆震燃燒系統(tǒng)不同觸發(fā)爆震過程、多循

9、環(huán)DDT特點、DDT相關的物理問題;詳細闡述了高精度高分辨率的爆震波數(shù)值研究方法，得出微型管內火焰加速機制、火焰-障礙物相互作用和不同DDT機制;利用三維高分辨率數(shù)值方法研究了微型通道內三維爆震波傳播動力學、爆震波前沿結構、不同初始擾動對螺旋爆震波形成的影響以及分析了螺旋爆震波的特征參數(shù)和爆震波前沿不穩(wěn)定性，得出了三維爆震波的結構、螺旋爆震波形成條件和機理。本研究結果為微小型脈沖爆震推進系統(tǒng)設計打下基礎，也可作為其他微小尺度燃燒應用系統(tǒng)