串联点火起爆方式脉冲爆轰发动机数值模拟及实验研究

摘要

脉冲爆轰发动机是利用周期性爆轰波产生推力的新型动力装置，具有结构简单，热循环效率高，可靠性强等诸多优点。如何提高工作频率是脉冲爆轰发动机研究中的热点问题，本文利用一级主管内形成的稳定爆轰波具有高温高压的特点，对次级主管进行点火，结果表明串联点火可以有效缩短DDT(Deflagration to Detonation Transition)距离，在次级主管内实现快速起爆，最终达到提高发动机工作频率的目的。
　　本文从数值模拟和实验研究两个方面对脉冲爆轰发动机串联点火起爆过程进行了研究。主要内容如下:
　　(1)建立一级主管二维/轴对称爆轰数学物理模型，采用二维/轴对称无粘CE/SE方法对一级主管内爆轰过程进行数值计算。结果表明:开口位置不变，开口直径越大，主爆轰管内流场所受扰动越大。在满足连接支管顺利起爆的前提下，应当尽量缩小连接处截面面积以降低开口对主爆轰管内流场的影响。
　　(2)建立分叉支管一维爆轰数学物理模型，采用入口边界条件与一级主管耦合，采用一维无粘CE/SE方法对连接支管内流场进行数值模拟。对利用一级主管内形成的稳定爆轰波绕射点火方式和采用传统高温高压点火方式进行了对比计算，证明爆轰波绕射点火可以缩短DDT距离和DDT时间。
　　(3)建立次级主管二维/轴对称爆轰数学物理模型，对次级主管内点火过程进行数值计算，得到不同管径比和不同管间耦合过渡方式等因素对次级主管内爆轰过程的影响。
　　(4)设计搭建实验平台，H2/O2为燃料和氧化剂，对爆轰波在分叉支管内传播过程进行了实验研究，明确了爆轰波在分叉管内的传播机理，分析不同填充条件和扰流片对支管内爆轰波的影响。
　　通过上述数值模拟及实验研究，明确了单次循环过程中发动机内流场变化情况。相较于传统点火方式，采用串联点火起爆方式可以有效提高发动机工作频率，有利于脉冲爆轰发动机实现工程化应用。

目录

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摘要

图表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 串联点火起爆脉冲爆轰发动机工作过程介绍

1．3 国内外研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 数值计算方法介绍

1．5 本文主要研究内容

2 一级主爆轰管内流场数值计算

2．1 二维／轴对称数学物理模型

2．1．1 计算区域

2．1．2 基本假设

2．1．3 一级主管二维／轴对称气相爆轰控制方程

2．2 二维无粘CE／SE方法

2．2．1 守恒元与求解元

2．2．2 二维无粘CE／SE方法计算格式推导

2．2．3 雅可比系数矩阵

2．3 边界条件和源项处理

2．3．1 初始条件

2．3．2 边界条件

2．3．3 源项处理

2．4 数值计算结果及分析

2．4．1 一级主爆轰管点火过程分析

2．4．2 连接管开口位置对一级主爆轰管内流场的影响分析

2．4．3 连接管开口面积对一级主爆轰管内流场的影响分析

2．5 本章小结

3 连接分叉管内流场数值计算

3．1 一维非定常爆轰数学物理模型

3．1．1 基本假设

3．1．2 一维气相爆轰控制方程

3．2 一维无粘CE／SE方法

3．2．1 守恒元与求解元

3．2．2 一维CE／SE求解格式

3．2．3 雅可比系数矩阵

3．3 边界条件和源项处理

3．3．1 初始条件和源项处理

3．3．2 边界条件

3．4 数值计算结果及分析

3．4．1 连接支管点火过程分析

3．4．2 连接支管长度对支管内爆轰波起爆过程的影响分析

3．5 本章小结

4 次级主爆轰管内流场数值计算

4．1 次级主爆轰管二维／轴对称数学物理模型

4．1．1 计算区域

4．1．2 基本假设

4．1．3 次级主爆轰管二维／轴对称气相爆轰控制方程

4．2 边界条件和源项处理

4．2．1 初始条件及源项处理

4．2．2 边界条件处理

4．3 数值计算结果及分析

4．3．1 次级主爆轰管流场分析

4．3．2 管径比对次级主爆轰管内爆轰过程的影响分析

4．4 本章小结

5 管间过渡方式对次级主爆轰管点火过程的影响

5．1 管间过渡段耦合数学物理模型

5．1．1 计算模型

5．1．2 基本假设

5．1．3 任意曲线坐标系下爆轰控制方程

5．2 初始条件和边界条件

5．3 计算结果及分析

5．3．1 过渡段对次级主爆轰管内起爆过程的影响分析

5．3．2 扩张角对次级主爆轰管内起爆过程的影响分析

5．3．3 收敛扩张过渡段对次级主管内点火过程的影响分析

5．4 本章小结

6 爆轰波在分叉支管内传播特性的实验研究

6．1 实验简介

6．2 尾部分叉式脉冲爆轰发动机实验系统介绍

6．2．1 总体实验系统

6．2．2 时序控制系统

6．2．3 数据采集系统

6．3 实验内容

6．4 实验结果及分析

6．4．1 气体流量标定实验

6．4．2 爆轰波在分叉管内传播过程的实验研究

6．4．3 支管燃料填充对爆轰波在分叉支管内传播特性影响的实验研究

6．4．4 扰流片对爆轰波在分叉支管内传播特性影响的实验研究

6．5 本章小结

7 总结与展望

7．1 本文主要工作总结

7．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表论文