喷管对气液两相脉冲爆轰发动机非定常流场特性影响的研究

摘要

脉冲爆轰发动机（Pulse Detonation Engine，简称PDE）是一种利用脉冲式爆轰波产生周期性冲量的新概念推进系统，该系统具有燃烧效率高、结构简单、推重比高、工作范围广等优点。喷管作为提高发动机推进性能的一种手段，被广泛用于定常工作的发动机。然而，由于脉冲爆轰发动机工作过程中存在复杂波系以及其非定常工作特性，基于定常工作模式的发动机喷管的设计理论和概念不再完全适用。因此，研究脉冲爆轰发动机喷管的工作特性及其推力增益，对促进脉冲爆轰发动机工程应用具有重要意义。论文针对汽油/空气火箭式脉冲爆轰发动机（Pluse Detonation Rocket Engine，简称PDRE）的喷管开展数值与实验研究，研究工作主要内容为:
　　(1)建立了带锥形扩张喷管汽油/空气PDRE内外流场计算模型，构建了适合于锥形边界的带源项结构化三角形网格CE/SE方法，并运用该方法数值研究了喷管内不同填充工况对汽油/空气PDRE内外流场和推进性能的影响。研究结果表明:结构化三角形网格CE/SE方法可以高效捕捉直管和扩张管中的爆轰波等强间断和内外流场细节。喷管内燃料填充率对PDRE的排气时间影响不大。当扩张喷管内燃料填充率小于某临界值时，填充率越大填充位置后的激波压力峰值随位置的增加下降速度越快;当喷管内填充率大于等于临界值时，前导激波传至喷管出口时压力峰值相差很大，此填充工况下燃料对发动机推进性能起主导作用，发动机冲量随填充率增加而增大，且在满填充工况下达到最大。
　　(2)在Chang提出的CE/SE方法思想的基础上，构建了适合于汽油/空气脉冲爆轰发动机两相流场的带源项非结构三角形网格CE/SE方法，应用该方法数值研究了多种结构喷管对汽油/空气PDRE爆轰和排气流场和该阶段发动机推进性能的影响。研究结果表明:带源项非结构三角形网格CE/SE方法可以清晰刻画复杂管中的爆轰波、激波等细节，以及膨胀波、涡系结构等内外流场细节。爆轰波传过塞式收敛扩张喷管喉部后，拐点处出现低压高速环区。扩张喷管和拉伐尔喷管排气后期管口和喷管内出现激波等过膨胀现象。直喷管、扩张喷管、收敛喷管、拉伐尔喷管和塞式收敛扩张喷管中，含收敛段的喷管排气时间增长。当环境压力为0.1MPa、填充率为1时，在爆轰和排气进程中除扩张喷管外其它喷管均增加了发动机冲量。
　　(3)建立了带喷管汽油/空气两相PDRE多循环内外流场计算模型，研究了多循环模式下扩张喷管、收敛喷管、拉伐尔喷管以及塞式收敛扩张喷管的流动机理和增推机理。研究结果表明:在多循环模式下，PDRE外流场中前导激波以葫芦型向下游发展传播。除塞式收敛扩张喷管外，其它喷管至填充完成时管内和管口附近燃料液滴容易集中在中心轴附近，喷管内燃料所能到达的径向分布不易超过喷管入口或者喉部直径相当的径向平面;塞式收敛扩张喷管燃料液滴则主要沿该喷管的直管壁面内侧分布，塞型结构下游分布较少。当填充率为1、环境压力为0.1MPa时，多循环模式下各喷管对汽油/空气PDRE的推力增益表现为:与无喷管工况相比，除扩张喷管外其它喷管均取得了正的推力增益，其中拉伐尔喷管的冲量最大，塞式收敛扩张喷管其次。
　　(4)搭建了汽油/空气火箭式脉冲爆轰发动机实验平台，根据数值研究结果设计加工了五类喷管，实验研究了喷管形状及尺寸对汽油/空气PDRE的爆轰特性、推力壁压力和推进性能的影响。研究结果表明:满填充工况各类喷管内的变截面爆轰特性不同，收敛喷管内壁面压力峰值大于爆轰管压力峰值;其它带扩张段的喷管则相反，且扩张角度越大，喷管内壁面压力峰值越小，当角度大于一定值时压力峰值趋于稳定。各喷管中拉伐尔喷管的排气时间最长，塞式收敛扩张喷管在排气中加速减压时间最长。在填充率为1、环境压力为0.1MPa、频率为10Hz工况下实验得到了五类喷管的推力增益，且与数值研究结果一致。实验中拉伐尔喷管的出口面积增加则PDRE推力增益增大，但收敛段与扩张段长度比对发动机推力增益的影响较小。
　　(5)建立了气动型射流控制动边界喷管（简称射流喷管）计算模型，数值研究了多循环模式下带该喷管的汽油/空气脉冲爆轰发动机的内外流场特性，分析了喷管型面、喉部面积等尺寸参数和二次引流总压、位置、角度等射流参数对喷管的实际膨胀比和发动机的推力系数的影响。研究结果表明:射流喷管在爆轰、排气初期可以实现满流工作，而在排气后期、隔离和填充进程中通过射流对斜激波等过膨胀现象进行调节，改善了主流的实际膨胀比，提高了发动机的推力系数。射流喷管的外壁采用钟形型面有利于控制主流外侧界面形状;采用锥形型面有利于控制主流实际膨胀比和提高发动机推力系数。当射流喷管的喉部面积采用比最大临界喉部面积小15％的值时，发动机可获得最佳主流控制效果。射流总压对射流喷管中超音速主流外侧界面和主流实际膨胀比影响不大，但会加剧喷管中实际喉部位置的后移现象。射流位置应当布置在喷管入口总压刚好膨胀的截面之前，过于靠后会降低主流膨胀效果。采用90°射流入射角度有利于控制主流外侧界面和主流实际膨胀比，提高发动机推力系数。
　　本文系统地研究了喷管对汽油/空气两相脉冲爆轰发动机非定常流场及性能的影响，提出了适用于该两相PDRE的气动型射流控制动边界喷管，数值与实验研究了扩张喷管、收敛喷管、拉伐尔喷管、塞式收敛扩张喷管和气动型射流控制动边界喷管的流动机理和增推机理，为利用喷管提高脉冲爆轰发动机推进性能提供了重要的指导。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 脉冲爆轰发动机工作原理及研究进展

1．2．1 脉冲爆轰发动机工作原理

1．2．2 脉冲爆轰发动机应用前景

1．2．3 脉冲爆轰发动机研究进展

1．3 脉冲爆轰发动机喷管的研究进展

1．4 CE／SE方法研究进展

1．5 本文主要研究内容

2 结构化三角形网格CE／SE方法以及带锥形扩张喷管PDRE两相流场理论研究

2．1 带锥形扩张喷管两相脉冲爆轰发动机理论模型

2．1．1 基本假设

2．1．2 轴对称两相爆轰控制方程

2．2 结构化三角形网格CE／SE方法

2．2．1 守恒元与求解元的确定

2．2．2 计算格式的推导

2．2．3 雅克比矩阵

2．3 带锥形扩张喷管PDRE计算模型

2．3．1 带锥形扩张喷管两相脉冲爆轰发动机轴对称计算模型

2．3．2 带喷管两相脉冲爆轰发动机瞬时推力计算模型

2．3．3 初值条件、边界条件和源项处理

2．4 计算结果分析

2．4．1 部分计算结果与实验比较

2．4．2 带锥形扩张喷管两相PDRE内外流场分析

2．4．3 喷管内填充状态对两相PDRE流场影响分析

2．4．4 喷管内填充状态对两相PDRE性能影响分析

2．5 本章小结

3 非结构三角形网格CE／SE方法以及两相PDRE不同喷管流场特性理论研究

3．1 带不同结构喷管的汽油／空气两相PDRE理论计算控制方程

3．2 非结构三角形网格CE／SE方法

3．2．1 守恒元与求解元的确定

3．2．2 计算格式的推导

3．3 带不同结构喷管PDRE计算模型

3．3．1 汽油／空气两相PDRE轴对称计算模型及喷管结构

3．3．2 初值条件、边界条件和源项处理

3．4 部分计算结果与实验比较

3．5 爆轰和排气进程喷管结构对两相PDRE流场影响分析

3．5．1 直喷管

3．5．2 收敛喷管

3．5．3 拉伐尔喷管

3．5．4 塞式收敛扩张喷管

3．6 爆轰和排气进程喷管结构对两相PDRE推进性能影响分析

3．7 本章小结

4 多循环模式下不同结构喷管对两相PDRE影响的数值研究

4．1 带喷管两相PDRE多循环模型

4．1．1 多循环模式下两相PDRE理论模型

4．1．2 数值计算方法和数值计算模型

4．1．3 初值条件和边界条件

4．2 喷管结构对两相PDRE多循环内外流场的影响

4．2．1 直喷管

4．2．2 扩张喷管

4．2．3 收敛喷管

4．2．4 拉伐尔喷管

4．2．5 塞式收敛扩张喷管

4．3 喷管结构对两相PDRE多循环推进性能的影响

4．4 本章小结

5 喷管对火箭式两相脉冲爆轰发动机影响的实验研究

5．1 带喷管气液两相脉冲爆轰发动机实验系统

5．1．1 发动机实验及测试系统

5．1．2 喷管设计

5．2 带喷管汽油／空气PDRE爆轰特性分析

5．2．1 爆轰管内爆轰特性分析

5．2．2 喷管内爆轰特性分析

5．3 喷管结构对汽油／空气PDRE推进性能的影响

5．3．1 推力壁压力分析

5．3．2 喷管对气流加速减压作用分析

5．3．3 推力分析

5．4 本章小结

6 射流控制动边界喷管对PDRE流场与性能影响的数值研究

6．1 带射流控制动边界喷管两相PDRE数学物理模型

6．1．1 非定常过程喷管膨胀比分析

6．1．2 带射流喷管PDRE控制方程

6．1．3 带射流喷管PDRE计算模型

6．1．4 初值条件和边界条件

6．2 射流控制动边界喷管流场分析

6．2．1 第一阶段带射流喷管PDRE流场分析

6．2．2 第二阶段带射流控制动边界喷管PDRE流场分析

6．3 喷管结构对射流边界的影响

6．3．1 喷管型面的影响

6．3．2 喷管喉部面积的影响

6．4 射流参数对喷管有效出口面积的影响

6．4．1 射流总压的影响

6．4．2 射流位置的影响

6．4．3 射流角度的影响

6．5 本章小结

7 工作总结和展望

7．1 工作总结

7．2 主要创新点

7．3 研究展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文情况