两步法高频爆震发动机(Two-stage PDE)机理与特性研究

摘要

两步法脉冲爆震发动机(Two-stagePDE)是一种利用激波在部分反应的混气中触发高频爆震的新型脉冲爆震发动机，其工作频率可达到几百甚至上千赫兹。为了研究两步法PDE的可行性及其工作原理，设计并建立了two-stagePDE的原理性试验样机及其试验系统，重点对冲击射流的激波形成机制与特性进行了试验研究与数值分析，以及对样机进行了初步的热态试验。
　　 主要研究成果包括：
　　 1、根据Two-stagePDE工作机理设计了一台原理样机以及对冲射流形成激波的试验装置。
　　 包括预燃室设计、谐振腔设计、拉瓦尔喷管设计。样机采用矩形结构设计，其中谐振腔的设计频率为：100～500赫兹，喷管采用收缩方槽式结构，其入口直径为3.8mm，能有效满足激波产生的空间范围。
　　 2、试验研究了进口压力以及喷管和谐振腔的结构尺寸对激波特性的影响。试验结果表明，影响激波性能的主要参数为进口压力，在一定的范围内，随着进口压力的增加，激波的压力峰值增加，但随着进口压力的进一步提高，激波压力峰值的提升效果减弱；激波的频率主要由谐振腔的结构尺寸决定，长度增加频率减小。
　　 3、利用数值模拟，通过改变试验样机模型的边界条件，验证影响激波的因素，数值模拟的结果与试验的结论吻合。在此基础上，通过改变谐振腔与拉瓦尔喷管的直径比，模拟比较不同规格谐振腔的工作性能，最后发现谐振腔与拉瓦尔喷管的直径比在13左右的谐振腔最佳。
　　 4、通过对two-stage PDE热态试验研究，发现试验并未能产生稳定的C-J爆震，原因是未能产生足够强的激波以及可爆预混气；但由于谐振腔的声学效应，产生了脉动燃烧。试验结果表明随着当量比的增加，燃烧的频率变小。
　　 本文的研究结果为Two-stage PDE进一步机打下了基础，提供了初步的设计理论和试验依据。