旋转爆轰热射流起爆技术研究

摘要

成功有效的起爆是爆轰燃烧室成功应用的关键问题之一，热射流起爆对于旋转爆轰燃烧具有独特的优势，是一种十分有效的起爆方式。但采用热射流起爆旋转爆轰燃烧室，需要解决一些问题：起爆管的几何尺寸过大、二者的连接方式、最终形成的热射流的能量参数等。本文主要针对上述问题，通过理论分析和数值计算，对热射流起爆管内能量放大的过程（即DDT过程）、机理、结构影响进行了深入研究。
　　本文以热射流起爆管为研究对象，重点对以氢气和空气的预混气体为工质，进行热射流起爆管中DDT（爆燃转爆轰）过程的数值模拟。本文采用FLUENT数值模拟软件，采用氢气和空气单步化学反应模型，求解N-S方程，对起爆管的二维简化模型进行数值计算，详细分析了起爆管由低能量的点火源，通过复杂的燃烧反应，火焰面与激波面复杂的相互作用，最终形成了用于起爆的爆震热射流。分析了整个DDT过程的发生机理，发现 DDT过程的发生是：通过低能量点火首先点燃预混气体发生缓慢燃烧，通过燃烧产生的热量不断提高，压力波叠加，一步步发生爆燃，过程中形成“热点”，发生局部爆炸，最终促进爆震波形成。对爆震热射流直接通入旋转爆轰燃烧室进行起爆点火的过程进行了数值验证，发现起爆效果很理想。
　　通过分析DDT过程的影响因素，对起爆管的几何结构进行优化。发现加快DDT过程的几种有效的方式：根据预混气体的性质选择起爆管的直径，加入障碍物增加扰流特性，选择合适的扰流节距和阻塞比，合适的扰流器的结构、位置、扰流长度，适当的点火位置，提高初始点火能量，选用敏感性较强的气体当量比，合适的预混气初始参数。从物理因素和化学因素方面对 DDT过程进行对比和分析，力求得到能量较高的爆轰热射流用于起爆旋转爆轰。
　　结果发现，就以氢气和空气的起爆管而言，存在一个比较合适的起爆管内径，会使DDT距离在光管中达到最短；良好的障碍物结构可以发生扰流作用，促进DDT过程的发生，会使 DDT距离大大减小；点火位置存在一个最佳值，能够充分利用壁面的反射优势加强起爆过程，点火能量越高，DDT过程发生得越快速；预混气的初始温度和压力、当量比都会影响DDT距离。这些因素的分析对比为起爆管的结构设计提供了依据。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外的研究进展

1.3 本文主要内容

第2章 爆轰基本理论及热射流起爆过程

2.1 爆轰理论基础

2.2 爆轰与爆燃的区别

2.3 热射流起爆

2.4 旋转爆轰燃烧起爆能量预测

2.5 本章小结

第3章 数学模型与计算方法

3.1 控制方程和湍流模型

3.2 燃烧模型介绍

3.3 数值方法

3.4 计算验证及算例分析

3.5 本章小结

第4章 几何尺寸及可燃气体参数对热射流起爆的影响

4.1 起爆管内径对爆燃转爆轰过程的影响

4.2 起爆管起爆旋转爆轰的影响因素

4.3 可燃混气化学当量比对DDT过程的影响

4.4 可燃气体初温和初压对DDT过程的影响

4.5 本章小节

第5章 障碍物对起爆管燃烧性能的影响

5.1 计算模型

5.2 障碍物阻塞比对热射流起爆过程的影响

5.3 障碍物节距对DDT过程的对比分析

5.4 扰流距离和扰流位置对热射流起爆过程的影响

5.5 障碍物形式对热射流起爆过程的影响

5.5 本章小结

第6章 点火对起爆管燃烧性能的影响

6.1 计算模型

6.2 点火位置对起爆管中DDT过程的影响

6.3 点火面积对起爆管中DDT过程的影响

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢