两相微小型脉冲爆震发动机试验研究

摘要

为了探索两相微小型脉冲爆震发动机的可行性和特性，建立了煤油/空气气动阀式PDE整体系统，设计加工了包括气动阀，预混管，强化燃烧装置，激波反射装置在内的PDE主要部件，采用数值模拟和试验的方法，分析验证了这些部件的主要特性，进行了关键技术的研究，提高了两相微小型脉冲爆震发动机的起爆性能，获得了大量研究成果，主要包括：
　　 1分析了两相微小型脉冲爆震发动机的可爆极限、燃料雾化机理，并根据本文试验特点和燃料特性，选择航空煤油为燃料，空气为氧化剂，在内径为29mm的爆震管内进行多循环爆震试验。
　　 2 根据微小型PDE的特点，通过设计改造，建立了适用于微小型PDE的试验系统，试验系统包括试车台、空气加热器和煤油加热器、供油系统、频率控制系统、压力测量系统、热电偶测温系统等，有效地保障了本文试验的开展。
　　 3 设计了三叶片和螺旋片两种强化燃烧装置，通过数值模拟和试验验证，比较了两种装置的工作机理。通过优化配置，采用螺旋片强化燃烧装置的820mm长的爆震管在20hz、33hz、40hz三个频率下均能保证稳定成功点火，并且形成均匀的恰当比的可燃混气，触发稳定的爆震波，在20hz时爆震波平均压力达3.91Mpa，峰值压力达4.92Mpa。
　　 4 与利用钝体后产生的涡提高流场紊流度的方法不同，螺旋片装置是利用旋流与旋流、旋流与直流间的摩擦产生紊流度。经数值模拟和试验验证，这种方法有效的克服了钝体产生紊流度的方式的两大不足：A、气流动能损失较大；B、紊流强度分布不均匀。这是因为气流通过螺旋片时，只会形成直流和旋流，气流始终保持向前的流动方向，速度大小没有激烈变化，使得气流的动能损失不大。而且在安装螺旋片装置的爆震管中，产生的紊流分布均匀来自多个区域：A、旋流撞击螺旋片产生的紊流，主要分布在贴近螺旋片区域；B、直流与旋流之间因速度的大小和方向不同产生的紊流，主要分布在直流区与旋流区交界区域；C、相邻的旋流两两之间因流动方向不同产生的紊流，主要分布在两螺旋片相距较小的区域。这种在管内分布均匀的紊流有利于优化强化燃烧过程，减短触发DDT过程的距离（时间）。
　　 本文为提高小管径脉冲爆震发动机起爆性能，促进DDT（Deflagration to Detonation Transition）过程在尽可能短的距离（时间）发生，在两相掺混，强化燃烧方面进行了大量的试验和数值模拟，这对进一步研究小管径两相脉冲爆震发动机起爆性能有应用参考价值。