脉冲爆轰推进应用数值模拟及实验研究

摘要

脉冲爆轰发动机是一种新型热力推进装置，它是利用爆轰波后高温高压爆轰产物的膨胀产生推力，具有循环热效率高、推重比大及结构简单等优点，因此在未来飞行器的推进系统有广阔的应用前景。然而脉冲爆轰发动机的工程应用还有许多关键技术没有解决，因此本文通过数值计算和实验模拟研究脉冲爆轰发动机爆轰循环中波的运动作用及其相互作用，理清了其工作循环的特点及规律，讨论了爆轰管内可燃混合物的充气比例对爆轰循环的影响，研究了扩张喷管对其动力性能的影响，最后通过脉冲爆轰发动机装置研究其点火及排气过程的规律。
　　根据脉冲爆轰发动机工作循环的特点研究了其循环过程波系的产生、运动及相互作用等流场特征，从理论上分析了循环过程波系图的变化以及推力的简单计算。主要研究内容如下:
　　(1)由于对可燃混合气的充入难以达到精确控制，在每次循环都不可能恰好充满爆轰管，因此对爆轰管内不同可燃混合气的填充率进行了数值模拟，研究了爆轰管内可燃混合物的填充比对其工作循环的影响，从而为发动机进气的控制提供理论指导。
　　(2)为了研究喷管对脉冲爆轰发动机动力性能的影响，本文对不同形状的扩张喷管进行了数值计算，研究其与等截面爆轰管产生的瞬时推力以及工作循环内产生的冲量的差异。结果表明:在爆轰管尾部设置扩张喷管能明显提高其动力性能。
　　(3)为了研究充气压力对脉冲爆轰发动机点火及爆轰产物排放过程的影响，本文采用高速纹影技术对爆轰的点火及爆轰产物的排放过程进行了可视化研究。实验结果表明，随着充气压力的提高，点火过程产生激波的强度和爆轰波在冲出爆轰管时的强度都随之增强。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 爆轰的理论基础

1．2．1 爆轰的物理过程

1．2．2 爆轰波C-J理论

1．2．3 爆轰波ZND模型

1．2．4 爆轰波非定常结构

1．3 脉冲爆轰发动机的研究与进展

1．3．1 脉冲爆轰发动机工作原理及工作过程介绍

1．3．2 脉冲爆轰发动机实验研究

1．3．3 脉冲爆轰发动机数值模拟研究

1．4 本文的主要工作

第二章 数值方法及验证

2．1 基本假设

2．2 控制方程

2．3 气体热力学属性

2．3．1 气体状态方程

2．3．2 热力学特性

2．4 化学反应模型

2．5 控制方程的处理

2．6 控制方程的离散

2．7 初始条件和边界条件

2．7．1 初始条件

2．7．2 边界条件

2．8 数值计算程序的验证

第三章 可燃混合气填充比对爆轰波传播及排气过程的影响

3．1 可燃混合气100％填充时爆轰波在管内传播的数值模拟

3．1．1 数值计算的模型及初始条件

3．1．2 爆轰波在管内传播的计算结果

3．2 爆轰产物的排放过程

3．2．1 氢氧混合气体100％填充时的排气过程

3．2．2 氢氧混合气体80％和120％填充时的排气过程

3．3 本章小结

第四章 喷管对脉冲爆轰发动机性能的影响

4．1 爆轰循环的波系发展及推力理论分析

4．2 脉冲爆轰发动机喷管的数值计算

4．3 数值计算结果及讨论

4．4 本章小结

第五章 脉冲爆轰发动机模拟实验研究

5．1 实验装置

5．1．1 进气系统

5．1．2 爆轰管

5．1．3 控制系统

5．1．4 点火系统

5．1．5 高速纹影系统及原理

5．2 可爆混合气点火实验研究

5．3 脉冲爆轰发动机管外流场研究

5．4 爆轰管外流场实验与数值模拟的对比

5．5 本章小结

第六章 结论和展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

发表论文情况

作者简历

学位论文数据集