旋转爆震发动机火焰与压力波传播特性研究

摘要

旋转爆震发动机（Rotating Detonation Engine，简称RDE）是一种基于爆震的新型推进装置，具有放热快、热循环效率高、结构简单的特点，成为近年研究热点。本文在气相非预混RDE中进行实验，并结合数值模拟，对RDE中火焰与压力波的传播特性进行研究。 实验中，通过改变反应物当量比、质量流率、燃烧室长度、燃烧室环缝宽度、尾喷管构型及氧化剂喷注面积等因素，并通过开展长程实验，得到了不稳定工作模态和稳定工作模态，结合离子信号、压力信号和高速摄影图片，对不同工作模态下的火焰与压力波进行分析。数值模拟中，采用了4种不同构型的尾喷管，分析了不同质量流率下，RDE的内流场结构和工作特性。结果表明: 点火阶段，外壁面和内壁面火焰发展快于中间火焰，在随后的双波对撞过程中，火焰与压力波先解耦再耦合。熄火阶段，离子信号峰值、压力峰值及压力波的传播速度逐渐降低，火焰与压力波耦合传播一段时间后解耦熄火。 轴向脉冲爆震模态下，压力波沿轴向做高频周期性运动，向RDE出口传播时，压力波强度逐渐衰减，向燃烧室入口传播时，压力波强度先衰减，在入口附近增强。燃烧室长度增加后，轴向脉冲爆震的频率有所降低。在当量比较小，且燃烧室长度较大的条件下，出现了声学耦合现象。 燃烧室环缝宽度和氧化剂喷注面积对爆震波传播特性有较大影响。当燃烧室环缝宽度不变时，随着氧化剂喷注面积的减小，依次得到稳定传播的单波、同向双波和四波对撞模态，爆震波速度、压力峰值和离子信号峰值按此顺序逐渐降低。RDE稳定工作时，火焰与压力波耦合。单双波交替和爆震波转向过程中，都存在压力波、火焰的对撞，且转变过程中的压力峰值和离子信号峰值较小。 随着发动机工作时间的延长，爆震波波前爆震产物有所增多，而爆震波速度有所下降，并最终趋于稳定。爆震波波前混合物中存在部分爆震产物是造成爆震波速度亏损的原因之一。 当燃烧室出口不加喷管和加扩张喷管时，随质量流率增加，爆震波高度先增后减，爆震波速度和燃烧室出口平均马赫数逐渐增大，且质量流率越大，爆震波速度越接近理论C-J速度。当燃烧室出口加收敛喷管和Laval喷管时，随质量流率增加，爆震波高度逐渐减小，爆震波速度先升后降，而燃烧室出口平均马赫数基本没有变化。相比于不加喷管和加扩张喷管，加收敛喷管和Laval喷管后，爆震波压力、温度和燃烧室出口平均总压有所增大，而爆震波高度和波速有所减小。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

1绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 旋转爆震发动机理论基础和发展历程

1．2．1 爆震基础研究

1．2．2 RDE早期研究概况

1．2．3 RDE近期研究概况

1．3 本文研究内容介绍

2 实验系统与数值方法介绍

2．1 预爆震管实验系统

2．2 旋转爆震发动机实验系统

2．3 火焰测量原理

2．4 物理模型及数值方法介绍

2．4．1 物理模型

2．4．2 计算方法

2．4．3 边界条件

2．4．4 数值方法验证

2．5 小结

3 RDE不稳定工作时火焰与压力波传播特性实验研究

3．1 不同测量电路分析

3．2 RDE不稳定工作时火焰与压力信号分析

3．2．1 点火

3．2．2 熄火

3．2．3 轴向脉冲爆震

3．2．4 四波对撞

3．2．5 单双波交替

3．2．6 爆震波转向

3．3 小结

4 RDE稳定工作过程火焰与压力波传播特性实验研究

4．1 离子信号研究

4．2 单波

4．3 双波

4．4 喷管构型的影响

4．5 当量比和质量流率的影响

4．6 长程实验

4．7 小结

5 RDE工作特性数值研究

5．1 流场结构分析

5．2 质量流率和燃烧室构型对RDE工作特性的影响

5．3 小结

6 结论及展望

6．1 本文主要工作及总结

6．2 本文创新点

6．3 展望

致谢

参考文献

附录