脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)微小型化研究.pdf

1、隨著科學(xué)研究、工業(yè)以及軍事方面對(duì)微型飛行器的需求增加，微小尺度動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)在航空發(fā)達(dá)國(guó)家得到了高度的重視。由于爆震燃燒相對(duì)于傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)燃燒具有更高熱循環(huán)熱率以及強(qiáng)非定常特性，微小尺度脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。本文圍繞著脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)微型化進(jìn)行了小尺寸爆震燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析，并對(duì)相關(guān)物理問(wèn)題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究。為了揭示微小型管內(nèi)緩燃轉(zhuǎn)爆震(Deflagration-to-Detonation，DDT)的機(jī)制以及爆震波傳

2、播動(dòng)力學(xué)，進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)和數(shù)值研究，具體研究?jī)?nèi)容包括微小尺寸管內(nèi)爆震波觸發(fā)技術(shù)、火焰加速轉(zhuǎn)捩至爆震波的機(jī)制、爆震波反應(yīng)流的流體動(dòng)力學(xué)特性、三維爆震波結(jié)構(gòu)和高分辨率的爆震數(shù)值模擬方法。
　　主要研究了料/空氣的微小尺度脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)需要的關(guān)鍵技術(shù)包括高效的氣動(dòng)閥進(jìn)氣系統(tǒng)、快速響應(yīng)的霧化和摻混技術(shù)、快速起爆技術(shù)、高效的高頻點(diǎn)火系統(tǒng)和可靠的點(diǎn)火技術(shù)、快速閉環(huán)的控制系統(tǒng)以及精確的實(shí)驗(yàn)診斷和測(cè)量系統(tǒng)。本文對(duì)氣動(dòng)閥式液態(tài)燃料的小尺寸脈沖爆

3、震發(fā)動(dòng)機(jī)地面測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并對(duì)相關(guān)的系統(tǒng)和技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證測(cè)試，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。采用商用CFD軟件FLUENT對(duì)氣動(dòng)閥的油氣摻混進(jìn)行了數(shù)值模擬，利用數(shù)值結(jié)果對(duì)氣動(dòng)閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。
　　設(shè)計(jì)了內(nèi)徑分別為29mm，24mm和19mm的三種爆震管，幾種不同結(jié)構(gòu)DDT強(qiáng)化裝置被安裝在不同長(zhǎng)度可拆卸的爆震管內(nèi)，結(jié)構(gòu)包括Shchdkin螺旋、孔板、三葉片、小突片和激波反射裝置。航空煤油為燃料和空氣為氧化劑，采用不同的觸發(fā)爆震的

4、技術(shù)和措施，在氣動(dòng)閥式小管徑脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)上進(jìn)行了低點(diǎn)火能量的多循環(huán)試驗(yàn)來(lái)獲得穩(wěn)定的爆震波。利用壓力傳感器和離子探針研究了火焰和壓力波的傳播過(guò)程，分析了DDT不同的階段、煤油/空氣爆震波的特性、DDT時(shí)間和距離和點(diǎn)火延遲時(shí)間等;討論了管徑、管長(zhǎng)和點(diǎn)火頻率對(duì)DDT過(guò)程的影響，歸納出了火焰加速、CJ爆燃波以及過(guò)驅(qū)動(dòng)爆震相關(guān)的DDT機(jī)制。除此之外，本文還進(jìn)行推力和燃油流量的測(cè)量研究，得出了小尺寸脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的性能特點(diǎn)以及最優(yōu)工作頻率

5、。
　　采用高精度、高網(wǎng)格分辨率的數(shù)值方法研究了微小型管內(nèi)火焰加速和緩燃轉(zhuǎn)爆震機(jī)制。控制方程為二維包含反應(yīng)流的Navier-Stokes方程，使用HLLC(Harten, Lax, van Leer, Contact)近似黎曼解結(jié)合并行自適應(yīng)網(wǎng)格算法、高精度MUSCL-TVD型數(shù)據(jù)重構(gòu)技術(shù)的有限體積法求解方程。利用基于層流火焰的起爆模型研究了光滑管壁管內(nèi)火焰加速和觸發(fā)爆震波的機(jī)制、不同障礙物分布對(duì)火焰加速至爆震過(guò)程影響，基于數(shù)值結(jié)

6、果歸納出幾種不同火焰加速和觸發(fā)爆震波的機(jī)制;障礙物間距增加，火焰加速變慢，觸發(fā)爆震時(shí)間和距離增加;層流火焰加速至CJ爆燃波速度左右是觸發(fā)爆震波的必要條件，如果激波后壓縮混氣微團(tuán)的反應(yīng)時(shí)間足夠小，則誘導(dǎo)爆震發(fā)生。除了快速火焰加速機(jī)制外，前導(dǎo)激波與壁面強(qiáng)激波反射形成馬赫桿或前導(dǎo)激波強(qiáng)度，也是觸發(fā)穩(wěn)定爆震波必要條件;激波、火焰與渦的相互作用、激波誘導(dǎo)壓縮預(yù)熱的氣體微團(tuán)快速反應(yīng)也是觸發(fā)爆震波重要機(jī)制。
　　螺旋爆震波是一種在爆震波前沿伴隨

7、著爆炸的臨界傳播現(xiàn)象，是自相持爆震波最穩(wěn)定的極限傳播模式。如何快速在微型通道內(nèi)形成螺旋爆震波和認(rèn)識(shí)螺旋爆震波的傳播特性對(duì)研究爆震波在微型管內(nèi)傳播具有重要意義。利用三維高分辨率的并行化反應(yīng)流計(jì)算程序研究了微型通道內(nèi)三維爆震波傳播動(dòng)力學(xué)、爆震波前沿結(jié)構(gòu)、不同初始擾動(dòng)對(duì)螺旋爆震波形成的影響以及分析了螺旋爆震波的特征參數(shù)和爆震波前沿不穩(wěn)定性，得出了三維爆震波的結(jié)構(gòu)、螺旋爆震波形成條件和機(jī)理。數(shù)值結(jié)果三維可視化表明:三維爆震波傳播模式和結(jié)構(gòu)與已發(fā)

8、表的實(shí)驗(yàn)以及數(shù)值模擬具有很好的一致性，并得出不同的子結(jié)構(gòu);自適應(yīng)的螺旋爆震波是微型管內(nèi)最穩(wěn)定的傳播模式，不對(duì)稱的初始流動(dòng)擾動(dòng)誘導(dǎo)的螺旋爆震波的形成時(shí)間最短;橫波動(dòng)力學(xué)和爆震波前沿的壓力波動(dòng)是螺旋爆震波形成的原因和其不穩(wěn)定性主要表現(xiàn);相關(guān)研究結(jié)果為微型管內(nèi)的三維爆震波物理認(rèn)識(shí)提供補(bǔ)充。
　　綜上所述，本研究歸納了微小型脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，并進(jìn)行了設(shè)計(jì)和驗(yàn)證研究;多循環(huán)實(shí)驗(yàn)揭示了小尺寸液態(tài)燃料的爆震燃燒系統(tǒng)不同觸發(fā)爆震過(guò)程、多循

9、環(huán)DDT特點(diǎn)、DDT相關(guān)的物理問(wèn)題;詳細(xì)闡述了高精度高分辨率的爆震波數(shù)值研究方法，得出微型管內(nèi)火焰加速機(jī)制、火焰-障礙物相互作用和不同DDT機(jī)制;利用三維高分辨率數(shù)值方法研究了微型通道內(nèi)三維爆震波傳播動(dòng)力學(xué)、爆震波前沿結(jié)構(gòu)、不同初始擾動(dòng)對(duì)螺旋爆震波形成的影響以及分析了螺旋爆震波的特征參數(shù)和爆震波前沿不穩(wěn)定性，得出了三維爆震波的結(jié)構(gòu)、螺旋爆震波形成條件和機(jī)理。本研究結(jié)果為微小型脈沖爆震推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)，也可作為其他微小尺度燃燒應(yīng)用系統(tǒng)