铝粉燃料PDE爆轰特性的理论与实验研究

摘要

铝粉是一种高能轻质的材料，其原材料丰富，常温下化学性能稳定，易于储存和运输，并且价格便宜。在相同当量比的条件下铝粉作为燃料比碳氢燃料释放出更多的能量，因此，目前铝粉作为炸药和推进剂的添加剂已被广泛使用。脉冲爆轰发动机（Pulse Detonation Engine，简称PDE）是一种高效的新型发动机。与燃烧相比，爆轰在能量的利用效率上更高，从而产生的推力更大。将铝粉与脉冲爆轰发动机的燃料相结合，可充分发挥两者优势，提升推进系统的性能。然而，铝粉爆轰与气相爆轰、液相爆轰在爆轰特性和影响因素等方面都存在着较大的差异。因此开展铝粉/空气爆轰特性以及铝粉燃料在脉冲爆轰发动机中应用的研究，对深入研究铝粉作为发动机燃料的可行性以及拓展脉冲爆轰发动机的应用领域具有重要的意义。本文尝试将铝粉作为脉冲爆轰发动机的燃料，通过数值计算和实验研究，揭示脉冲爆轰发动机中铝粉的爆轰特性，主要内容如下: (1)本文在考虑铝粉/空气燃烧转爆轰过程中化学反应以及组分变化等的基础上，分别建立了铝粉/空气管内爆轰的一维两相爆轰模型、轴对称两相爆轰模型、轴对称两相粘性爆轰模型以及三维两相爆轰模型。采用守恒元/求解元(CE/SE)方法对控制方程进行了离散，推导了相关雅克比矩阵，并编制了五个数值计算程序。数值研究了爆轰管内铝粉/空气两相爆轰过程，分析了压力、温度、气固两相的各向速度、铝粉粒径以及气相组份等基本参数在爆轰过程中的变化特性，比较了铝粉初始粒径、气相粘性和爆轰管点火位置等对爆轰过程的影响，揭示了气固两相爆轰波成因的机理。 一维气固两相数值模拟结果表明:在一定条件下，铝粉/空气的混合物在管内可以形成稳定传播的爆轰波，铝粉/空气管内爆轰过程中气相速度和爆轰波压力沿轴向变化趋势一致。 轴对称气固两相数值模拟结果表明:铝粉在管内燃烧转爆轰各个阶段，压力径向效应和轴向效应存在明显的差异。通过对爆轰管内气相压力和温度的综合分析，爆轰管内铝粉/空气的燃烧能够形成自持传播的爆轰波。随着铝粉的燃烧，燃烧产物Al2O3不断增加，燃烧过程产生的能量支撑管内温度达到一定的高度。 轴对称气固两相粘性数值模拟结果表明:初始铝粉颗粒半径对爆轰形成与传播有一定的影响。气体的粘性作用使得爆轰波峰值速度更平稳，对近爆轰管内壁面处速度的影响较轴线处明显。 三维气固两相数值模拟结果表明:采用壁面点火或中心点火两种方式均可以实现铝粉/空气混合物在管内的稳定爆轰。采用壁面点火方式时，在未形成稳定爆轰阶段，爆轰压力的三维效应都比较显著。采用中心点火方式时，在近封闭端的截面处出现温度波峰的时间更早，峰值更高;并且在波峰出现时，该截面上的温度差值较大。在实现稳定爆轰后，采用壁面点火方式时，压力峰值较高，但传播速度较慢。 (2)在铝粉/空气二维两相爆轰研究的基础上，探索了爆轰波与铝粉/空气混合物的相互作用过程，研究了铝粉燃料PDE的瞬时推力、总冲等参数特征，以及铝粉粒径变化和铝粉空气配比等对推力的影响，揭示了铝粉燃料脉冲爆轰发动机的推力性能。数值模拟研究结果表明:爆轰管实际出口条件下，当爆轰波传出管外后，气相的压力下降了，但是仍能维持一定的速度。通过计算和图线的比较分析得出，虽然铝粉/空气化学反应产物的非气相性特点使得PDE的推力和总冲有所下降，但对PDE的推力性能影响不大。 (3)搭建了铝粉燃料脉冲爆轰发动机实验平台，采用预爆轰点火起爆方式实现了铝粉燃料脉冲爆轰发动机短距离内的稳定爆轰。实验验证了铝粉作为脉冲爆轰发动机燃料的可行性。在不同工况下开展铝粉/空气管内爆轰实验，对其结果进行讨论。实验研究了铝粉燃料的爆轰的过程。实验研究结果表明:采用预爆轰的方式能够实现铝粉燃料在较短PDE管内爆轰，并且燃烧转爆轰现象明显。预爆轰能量只作为铝粉燃料PDE的起爆能量，对后续燃烧转爆轰过程没有影响。在铝粉燃料充满爆轰管的前提下，管内气体含氧量接近空气中含氧量时可以实现稳定的爆轰。 本文应用CE/SE方法，数值模拟探索了爆轰波与铝粉/空气混合物的相互作用过程，研究了铝粉燃料脉冲爆轰发动机的推力性能，揭示了气固两相爆轰波的形成机理。搭建了铝粉燃料脉冲爆轰发动机实验平台，采用预爆轰点火起爆方式实现了铝粉燃料脉冲爆轰发动机短距离内的稳定爆轰，实验验证了铝粉作为脉冲爆轰发动机燃料的可行性。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1课题研究背景和意义

1．2以铝粉为燃料的脉冲爆轰发动机研究现状

1．2．1工作过程及关键性问题

1．2．2数值模拟研究现状

1．2．3实验研究现状

1．3本文所做的主要工作

2铝粉／空气PDE一维两相爆轰数值计算

2．1铝粉／空气一维两相爆轰理论模型

2．1．1基本假设

2．1．2铝粉／空气一维两相非定常爆轰方程

2．2一维CE／SE数值计算方法

2．2．1计算格式的推导

2．2．2源项的处理

2．2．3铝粉／空气一维两相爆轰控制方程的雅克比矩阵

2．2．4边界条件

2．3爆轰管内铝粉／空气一维两相爆轰过程分析

2．4本章小结

3铝粉／空气PDE轴对称两相爆轰数值计算

3．1铝粉／空气轴对称非定常两相爆轰理论模型

3．1．1基本假设

3．1．2铝粉／空气轴对称两相非定常爆轰方程

3．2二维无粘CE／SE数值计算方法

3．2．1计算格式的推导

3．2．2铝粉／空气二维两相爆轰控制方程的雅克比矩阵

3．2．3边界条件

3．3爆轰管内铝粉／空气轴对称非定常两相爆轰过程分析

3．3．1铝粉／空气PDE内流场基本参数的计算和分析

3．3．2 PDE管内物质成分的变化分析

3．4本章小结

4铝粉／空气PDE轴对称粘性两相爆轰数值计算

4．1铝粉／空气爆轰管内轴对称粘性两相爆轰理论模型

4．1．1基本假设

4．1．2铝粉／空气轴对称两相粘性非定常爆轰方程

4．2二维粘性CE／SE数值计算方法

4．2．1计算格式的推导

4．2．2边界条件

4．3爆轰管内铝粉／空气轴对称粘性爆轰过程分析

4．3．1管内压力分布云图

4．3．2颗粒半径对爆轰波形成的影响

4．3．3粘度对速度与压力的影响

4．4本章小结

5铝粉／空气PDE三维两相爆轰数值计算

5．1铝粉／空气三维两相非定常爆轰理论模型

5．1．1基本假设

5．1．2铝粉／空气三维两相无粘非定常爆轰方程

5．2三维CE／SE数值计算方法应用

5．2．1计算格式的推导

5．2．2铝粉／空气三维两相爆轰控制方程的雅克比矩阵

5．3爆轰管内铝粉／空气三维两相爆轰过程分析

5．3．1点火位置对爆轰压力的影响

5．3．2点火位置对气相温度的影响

5．4本章小结

6铝粉／空气PDE推力性能计算与分析

6．1理论模型及计算方法

6．1．1理论模型

6．1．2计算方法

6．1．3边界条件

6．2计算结果及其分析

6．2．1爆轰波的计算结果及分析

6．2．2 PDE管内铝粉粒径变化及生成物的计算结果及分析

6．2．3 PDE瞬时推力和总冲量的计算结果及分析

6．2．4铝粉含量对爆轰的影响分析

6．3本章小结

7铝粉燃料PDE实验研究

7．1铝粉／空气爆轰实验设备及工作过程

7．2粉末输送方案的实验研究

7．2．1电机顶端塞入式供粉装置

7．2．2粉盒吹入式供粉装置

7．2．3负压吸入式供粉装置及PIV测试

7．3铝粉／空气爆轰实验及结果分析

7．2．1未填充燃料单独预爆轰实验

7．2．2填充燃料氧气不足的工况

7．2．3填充燃料氧气充足的工况

7．2．4填充燃料氧气过量的工况

7．4本章小结

8工作总结和展望

8．1工作总结

8．2主要创新点

8．3研究展望

致谢

参考文献

附录