脉冲爆震发动机工作过程研究

摘要

本文以脉冲爆震发动机的工作过程为应用对象对两相爆震燃料供给系统的喷雾特性、爆震波的两步起爆过程、PDE多循环工作的数值和实验研究以及性能分析等几个方面进行了相关研究。
　　 首先对两相爆震燃料供给系统的喷雾特性进行了研究，在简要分析燃油雾化机理和雾化过程的基础上，建立了两相流喷雾模型，在碰撞聚合模型中引入计算粒子球半径的概念对O’Rourke模型进行了修正，修正后的模型与原模型相比，计算精度大大提高，计算误差降低了16个百分点。利用改进后的模型对所研究的预膜式空气雾化喷嘴在不同结构参数和供气压力下的喷雾场特性进行研究，结果表明，液滴D32随着空气通道直径和侧路空气射入角的增大逐渐减小，同时又随着混合室出口孔径的增大而逐渐增大。综合各方面因素考虑，取喷嘴结构参数为：空气通道直径Dpath=2.0cm，侧路空气射入角A=45°，混合室出口孔径dmixing=1.0mm。随着供气压力的增大，喷雾锥角逐渐增大，液核区域逐渐减小，液滴D32逐渐减小，液滴分布越来越均匀。当供气压力达到0.8MPa时，液滴D32约为28.57μm，低于30μm，此时的燃油雾化粒度基本满足爆震的要求。故对于本文所设计的预膜式空气雾化喷嘴，欲获得较好的雾化效果，供气压力必须达到0.8MPa以上。
　　 两步起爆是在较短爆震室内成功起爆难起爆混合物的较好方法，其关键是爆震波的衍射和重构。本文简要分析爆震衍射理论的基础上，建立了爆震波衍射模型，对LPG-O2可爆混合物的爆震衍射临界管径和胞格尺寸进行了研究，结果表明，爆震波衍射在主爆震室管径等于预爆震室管径的2～4倍时为超临界衍射状态，当主爆震室管径等于预爆震室管径的5倍时为亚临界衍射状态。由此可以推断，这种可爆混合物的爆震衍射临界管径介于10～12.5mm之间，通过理论计算进一步得出LPG在C-J状态下的胞格尺寸λCJ介于2.112～2.366mm之间。分析表明，在爆震波衍射的过程中，横波对爆震波的重构起到了关键作用，另外化学反应的敏感度也是影响爆震波能否重构的一个重要因素。实验研究验证了以上结论的正确性。
　　 建立了直管PDE多循环工作过程二维轴对称仿真模型，对不同燃料一氧化剂的发动机工作过程进行了数值研究。结果表明，随着碳原子数的增加，爆震压力、推力壁压力和发动机单位面积冲量依次增大，爆震速度和马赫数逐渐降低，且对于同一种燃料而言，氧化剂为O2时的计算值明显高于氧化剂为Air时的计算值。将其与理论计算结果进行对比发现，爆震压力、速度和马赫数相差不大，温度较理论值偏高，对此进行了原因分析。通过对几种不同燃料的发动机单位面积冲量计算结果的分析，得到单个工作周期的单位面积冲量Iu的计算公式，在此基础上，初步建立了完全填充条件下直管PDE性能估算模型，并针对模型存在的问题对其进行了有关流体阻力和两相流效应的修正。
　　 在PDE模型机实验平台上开展了反应物当量比、填充系数以及点火能量等因素对发动机性能影响的实验研究，得到的主要结论是：两相爆震发动机并非在当量比附近性能最好，由于两相流效应和流体阻力等因素，当量比在1.2左右即富油状态下，发动机性能较好；脉冲爆震发动机存在临界填充系数，当填充系数小于该临界值时，发动机不能形成爆震。当发动机尺寸及可爆混气流量一定时，随着填充系数的减小，单次爆震的冲量和比冲逐渐减小，但发动机的平均推力和燃料比冲却逐渐增大；在其他条件不变的前提下，当点火能量足以使管内形成稳定发展的爆震波时，提高点火能量对于发动机的性能影响不是很大。但提高点火能量可以缩短DDT距离，通过缩短爆震室长度以及降低管内填充系数等方法来提高爆震频率能够达到提高发动机性能的目的。