脉冲爆轰发动机中汽油基凝胶燃料爆轰特性研究

摘要

作为一种兼具固体燃料和液体燃料优点的新型燃料，凝胶燃料在未来推进系统中有着广阔的应用前景。与缓燃波模式工作的推进系统相比，爆轰波模式工作的推进系统具有更高的热效率。将凝胶燃料与脉冲爆轰发动机（Pulse Detonation Engine，缩写为PDE）相结合，可以充分利用两者的优势，促进推进系统性能的提升。然而，凝胶燃料表现出的不同于液体燃料的非牛顿流体特性与燃烧过程对其爆轰性能的影响尚不十分清楚。因此，开展凝胶燃料爆轰特性及其在脉冲爆轰发动机中应用的研究，对加深凝胶燃料爆轰机理的认识和拓展脉冲爆轰发动机的应用范围具有重要意义。本文针对PDE中汽油基凝胶燃料的爆轰问题开展了凝胶燃料爆轰的理论建模与流场数值仿真，燃料制备、雾化及爆轰实验等研究工作，揭示了PDE中汽油基凝胶燃料的爆轰特性，主要内容如下:
　　1)建立了考虑凝胶燃料非牛顿流体特性的非金属二氧化硅/汽油凝胶燃料-气相氧化剂两相爆轰模型，采用守恒元与求解元方法(Conservation Element and SolutionElement Method，简称为CE/SE方法)对控制方程进行离散并编制了相关数值计算程序。数值研究了爆轰管内二氧化硅/汽油凝胶燃料的两相爆轰过程，分析比较了凝胶剂含量、液滴初始粒径与氧含量等因素对凝胶燃料爆轰参数的影响。结果表明:爆轰管内凝胶燃料爆轰过程与液态燃料的爆轰过程类似，但反应过程中凝胶燃料液滴的表观粘度是变化的，其表观粘度比液态汽油液滴的粘度高出1～2个数量级。凝胶燃料成功起爆所需的最低初始点火强度随凝胶剂含量增大而增大，但不同凝胶剂含量下的爆轰压力等参数无明显差异。存在液滴初始粒径上限使得凝胶燃料爆轰管内形成自持传播的爆轰波。爆轰管内填充气体氧含量增加，当量比填充条件下的能量密度增大，二氧化硅/汽油凝胶燃料能够形成爆轰所需的初始点火强度降低，爆轰强度增大。实际工程应用中，可考虑适当提高爆轰诱导段的氧含量来加速爆轰形成。
　　2)建立了多个包括进气管泄压旁路在内的二氧化硅/汽油凝胶燃料预爆轰PDE模型，实现了不同直径和初始填充气体氧含量预爆轰管下的预爆轰PDE爆轰流场的数值模拟，并分析了不同预爆轰管条件对预爆轰PDE中爆轰波传播时间的影响。数值研究了预爆轰PDE主爆轰管进气管内的反压传播过程，提出采用进气管泄压旁路来改善进气管内反压特性的初步设想并进行了相应的数值验证。结果表明:爆轰波在预爆轰管中的传播时间对其在预爆轰PDE内传播的总时间起决定性因素。进气管泄压旁路的存在使得进气管内反传压力峰值与回流速度峰值均降低，进气管内填充气体受燃气回流污染影响变小。
　　3)建立了铝粉/二氧化硅/汽油凝胶燃料-气相氧化剂混合物三相爆轰模型，推导了控制方程的雅克比矩阵，编制了基于CE/SE数值方法的计算程序。数值研究了爆轰管内铝粉/二氧化硅/汽油凝胶燃料的多相爆轰过程，分析了爆轰过程中含铝凝胶燃料液滴的反应过程和爆轰燃气排放的瞬态特征，比较了铝粉含量和当量比对凝胶燃料爆轰性能的影响。研究结果表明:爆轰波作用下，含铝凝胶燃料液滴变化以剥离为主，燃料液滴中铝颗粒随液滴剥离弥散于爆轰管内并参与反应，累积在最后阶段反应的铝颗粒较少。爆轰波扫过之后爆轰管内形成低于初始密度的燃气平台密度。凝胶燃料爆轰燃气排放过程可划分为爆轰附着膨胀、燃气“壅塞”膨胀和膨胀减弱等三个典型特征阶段。与不含铝凝胶燃料相比，含铝凝胶燃料能量密度大，其爆轰形成所需的初始点火强度降低。铝粉质量分数增大，当量比填充条件下凝胶燃料爆轰管内爆轰压力等参数与燃气冲量均增大，燃料体积比冲增大，但燃料质量比冲降低。0.5～1.2当量比范围内，当量比增大，爆轰压力与爆轰波速度等增大，爆轰燃气冲量增大，但燃料比冲下降。
　　4)制备了纳米二氧化硅为凝胶剂的汽油基凝胶燃料，并对其流变特性进行了实验研究，分析了凝胶剂含量和铝粉颗粒粒径对凝胶燃料触变性、剪切变稀特性、屈服应力等流变参数的影响。建立了二氧化硅/汽油凝胶燃料内混式空气雾化实验平台，实验研究了喷射压力对凝胶燃料雾化射流速度场的影响。研究结果表明:以纳米二氧化硅为凝胶剂的汽油基凝胶燃料具有剪切变稀特性和部分可逆触变性。相同剪切速率下，凝胶燃料表观粘度随凝胶剂质量分数增加而增大，含铝凝胶燃料的表观粘度比同等凝胶剂质量分数不含铝凝胶燃料的大。本文凝胶燃料内混式空气雾化喷嘴的雾化射流呈以喷嘴为顶点的三角形状，并形成以喷嘴轴线为对称轴的矩形核心射流区域，喷嘴出口附近核心射流区域内存在相对较短的高速区域。凝胶燃料喷射压力低于雾化空气喷射压力时，雾化射流的高速区域呈“倒Y型”或“倒V型”的速度分布，且其下游速度分布更均匀。凝胶燃料喷射压力为0.2MPa、雾化空气喷射压力为0.3MPa典型工况下凝胶燃料射流区域雾化液滴SMD介于68～121μm。
　　5)搭建了凝胶燃料爆轰实验平台，实现了多循环工况下二氧化硅/汽油凝胶燃料的燃烧转爆轰过程。应用可调谐半导体激光吸收光谱技术对凝胶燃料爆轰燃气冲量进行了间接测量，并分析了凝胶燃料爆轰燃气冲量产生与燃气排放的相互关系。研究结果表明:受爆轰波影响，凝胶燃料爆轰管出口处燃气温度、速度与密度均先陡峭上升，随后在膨胀波作用下快速下降至各自平台。爆轰燃气排放后期，新鲜填充气体与爆轰管内残余燃气混合使得燃气温度降低，密度增大。本文实验工况下爆轰附着膨胀阶段、燃气“壅塞”膨胀阶段和膨胀减弱阶段爆轰燃气动量对冲量的贡献分别占总冲量的58.1％、18.7％和11.6％。
　　本文尝试建立了考虑燃料非牛顿流体特性的汽油基凝胶燃料爆轰的数学物理模型，开展了PDE内凝胶燃料爆轰的数值与实验研究。研究结果表明:建立的汽油基凝胶燃料爆轰模型能有效模拟凝胶燃料的爆轰过程，为进一步研究凝胶燃料PDE提供了数值工具。研究过程中获得的凝胶剂含量、液滴初始粒径、铝含量等多种因素对凝胶燃料爆轰特性影响的结果，提出的预爆轰PDE进气管泄压旁路思想、爆轰燃气排放三个特征阶段的划分以及爆轰燃气冲量的非接触测量方法等对凝胶燃料PDE应用研究有重要参考意义。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 凝胶燃料国内外研究进展

1．2．2 脉冲爆轰发动机原理与国内外研究进展

1．2．3 国内外研究现状总结

1．3 本文研究工作主要内容

2 非金属二氧化硅／汽油凝胶燃料- 气相氧化剂爆轰建模与数值计算

2．1 非金属二氧化硅／汽油凝胶燃料- 气相氧化剂两相爆轰模型

2．1．1 简化与假设

2．1．2 数学方程

2．2 二维CE／SE数值计算方法

2．2．1 守恒元与求解元定义

2．2．2 计算格式及其推导

2．2．3 两相爆轰控制方程的雅克比矩阵

2．2．4 边界条件与源项的处理

2．3 二氧化硅／汽油凝胶燃料爆轰过程分析

2．3．1 二氧化硅／汽油凝胶燃料爆轰过程中压力的变化

2．3．2 二氧化硅／汽油凝胶燃料爆轰过程中速度与温度的变化

2．3．3 二氧化硅／汽油凝胶燃料爆轰过程中液滴半径和气相组分的变化

2．4 凝胶剂含量、液滴初始粒径与氧含量等对凝胶燃料爆轰的影响

2．4．1 不同初始点火条件下凝胶剂含量对凝胶燃料爆轰的影响

2．4．2 液滴初始粒径对二氧化硅，汽油凝胶燃料爆轰的影响

2．4．3 氧含量对二氧化硅，汽油凝胶燃料爆轰的影响

2．5 本章小结

3 预爆轰PDE中非金属二氧化硅／汽油凝胶燃料爆轰特性的数值计算

3．1 二氧化硅／汽油凝胶燃料预爆轰PDE模型与计算方法

3．2 二氧化硅／汽油凝胶燃料预爆轰PDE 流场特性分析

3．2．1 预爆轰管填充条件对主爆轰管爆轰流场的影响

3．2．2 预爆轰管管径对主爆轰管爆轰流场的影响

3．3 二氧化硅／汽油凝胶燃料预爆轰PDE的反压特性分析

3．3．1 二氧化硅／汽油凝胶燃料预爆轰PDE的反压流场分析

3．3．2 泄压旁路对预爆轰PDE进气管反压特性的影响分析

3．4 本章小结

4 铝粉添加剂对二氧化硅／汽油凝胶燃料爆轰特性影响的数值计算

4．1 铝粉／二氧化硅／汽油凝胶燃料- 气相氧化剂多相爆轰模型

4．1．1 简化与假设

4．1．2 控制方程及辅助方程

4．2 数值计算方法与雅克比矩阵

4．2．1 数值计算方法

4．2．2 多相爆轰控制方程的雅克比矩阵

4．3 铝粉／二 氧化硅／汽油凝胶燃料爆轰性能分析

4．3．1 铝粉／二 氧化硅／汽油凝胶燃料爆轰过程分析

4．3．2 铝粉含量对铝粉／二氧化硅／汽油凝胶燃料爆轰性能的影响

4．3．3 当量比对铝粉／二 氧化硅／汽油凝胶燃料爆轰的影响

4．4 本章小结

5 二氧化硅／汽油凝胶燃料制备及其流变、雾化特性实验研究

5．1 二氧化硅／汽油凝胶燃料制备及其流变特性分析

5．1．1 凝胶燃料制备

5．1．2 凝胶燃料流变特性实验方法

5．1．3 凝胶燃料流变特性实验结果分析

5．2 凝胶燃料雾化特性分析

5．2．1 凝胶燃料雾化速度分布测量原理与实验系统

5．2．2 凝胶燃料雾化射流速度分布结果分析

5．2．3 凝胶燃料雾化粒径测量方法与结果分析

5．3 本章小结

6 二氧化硅／汽油凝胶燃料爆轰的实验研究

6．1 凝胶燃料爆轰过程实验研究

6．1．1 凝胶燃料爆轰实验系统

6．1．2 凝胶燃料燃烧转爆轰过程实验结果分析

6．2 凝胶燃料爆轰燃气冲量特性实验研究

6．2．1 凝胶燃料爆轰燃气冲量测量原理

6．2．2 凝胶燃料爆轰燃气冲量测量实验系统

6．2．3 凝胶燃料爆轰燃气冲量测量结果与分析

6．3 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

攻读博士学位期间以第一作者发表的学术论文

攻读博士学位期间取得的科研成果

攻读博士学位期间参与的科研项目