喷管形状和燃料填充率对脉冲爆轰发动机的效能影响研究

摘要

本文采用基于有限速率基元化学反应模型的网格自适应有限体积方法,数值模拟以脉冲爆轰发动机为背景的爆轰波通过扩张喷管的流场,研究了喷管形状及喷管充气状况对脉冲爆轰发动机推进性能的影响。结果表明,以氢为燃料的等截面爆轰管冲量在某一比例合适的部分填充时达到最大,而对较大扩张角的喷管来说,其冲量一般随喷管内可燃气体填充比例的增加而增加,比冲通常随可燃气体填充比例的减少而增加;合适的喷管和燃料填充率能使比冲显著提高。具体体现在:
　　(1) 对氢-氧混合物的爆轰波在直管传播来说,爆轰波遇到可燃气体-空气界面时反射激波,使得端部推力面压力上升,结果造成冲量在可燃气体填充比例合适时达到峰值,这与以乙烯为燃料的爆轰发动机冲量一直随燃料填充率增大而增大的情况不同:此外,比冲随可燃气体填充比例的减少而增加。
　　(2) 对非0度扩张角的喷管,本文以15°和45°为代表,分别模拟了喷管中氢-氧燃气填充状况为不充、充一半和完全填充的条件下流动之间的差异。发现对于扩张角较小的15°喷管来说,端壁推力面所提供的冲量明显占主导地位,故而其效能亦与直管类似;45°喷管发动机的冲量则主要由喷管推力部分引起,喷管中可燃气体填充条件的改变所引起端壁推力冲量部分的变化很小。
　　(3) 45°喷管在所有同样填充率条件下都获得了比15°喷管更大的冲量和比冲,这也说明尾喷管压力作用面积对爆轰发动机效能起到了积极的作用。

目录

中文摘要

Abstract

符号表

第1章 绪论

1.1 总体概述

1.1.1 研究背景

1.1.2 脉冲爆轰发动机喷管研究的历史与现状

1.2 本文主要研究工作

第2章 数值方法

2.1 引言

2.2 主控方程

2.2.1 热力学参数

2.2.2 化学反应源项

2.3 非结构有限体积方法

2.3.1 非结构四边形网格

2.3.2 网格自适应

2.3.3 梯度计算

2.3.4 重构

2.3.5 数值流通量

2.3.6 时间推进方法

2.3.7 方程解耦和化学反应

2.3.8 单调限制器

2.3.9 边界条件处理

2.4 爆轰波通过扩张管流动的模拟与验证

2.5 本章小结

第3章 爆炸波在变截面爆轰管内传播的数值研究

3.1 引言

3.2 计算条件

3.3 数值模拟的可靠性验证

3.4 爆炸波在变截面激波管内传播现象研究

3.5 加长高压段对爆炸波镇压效果的数值研究

3.6 高压段增加火药续燃对爆炸波增压效果的数值模拟

3.7 本章小结

第4章 脉冲爆轰发动机喷管流动的数值研究

4.1 计算条件说明

4.2 爆轰波在等截面爆轰管内传播现象研究

4.3 爆轰波在15°扩张喷管中传播数值研究

4.4 爆轰波在45°扩张喷管中传播数值研究

4.5 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 本文的主要结论

5.2 工作展望

参考文献

附录A 基元化学反应相关基本定律

致谢