旋轉(zhuǎn)閥式脈沖爆震燃燒室非穩(wěn)態(tài)進(jìn)氣與起爆性能研究

1、旋轉(zhuǎn)閥式脈沖爆震燃燒室非穩(wěn)態(tài)進(jìn)氣與起爆性能研究脈沖爆震發(fā)動機依靠爆震燃燒自增壓 , 熱循環(huán)效率較高。與傳統(tǒng)動力裝置相比,燃燒室內(nèi)觸發(fā)高壓高溫的爆震波, 整個工作過程是非穩(wěn)態(tài)的。對脈沖爆震發(fā)動機的非穩(wěn)態(tài)工作的深入了解, 是發(fā)揮其性能優(yōu)勢的基礎(chǔ)。本文以脈沖爆震發(fā)動機工程應(yīng)用為研究背景, 通過模擬與實驗手段, 對單管旋轉(zhuǎn)閥式脈沖爆震燃燒室(Pulse Detonation Combustor, 簡稱PDC誹穩(wěn)態(tài)進(jìn)氣與起爆性能進(jìn)行研究，主要工作內(nèi)容與成果如下：針對吸氣式的PDC提出內(nèi)外涵交替進(jìn)氣的筒形旋轉(zhuǎn)閥方案，介紹PDC真型總體方案及旋轉(zhuǎn)閥、進(jìn)氣道和點火凹腔等試驗件結(jié)構(gòu) , 給出協(xié)調(diào)工作控制系統(tǒng)方案

2、 , 以及供油與霧化方案。對該霧化方案進(jìn)行霧化特性研究, 研究發(fā)現(xiàn)液滴粒徑隨氣壓和油壓的增大而減小，液滴尺寸分布隨著氣壓的變大而變得更均勻。為了給旋轉(zhuǎn)閥式PDC的助爆措施的結(jié)構(gòu)方案提供理論基礎(chǔ), 對助爆措施的機理展開系統(tǒng)研究。通過分析爆震波速度特性以及胞格特征, 發(fā)現(xiàn)擾流片的寬度對爆震波的傳播特性的影響較小 , 堵塞比對爆震波傳播影響較大。 螺旋爆震波在管內(nèi)傳播時, 遇到擾流片后其可以保持傳播狀態(tài)的壓力范圍縮小 , 增大擾流片寬度, 極限壓力進(jìn)一步變大。如果爆震波成功從預(yù)爆管傳播至主爆管, 爆震波速度至多下降至0.6 倍的 CJ速度。對于高活性混氣, 爆震波在突擴(kuò)段形成局部爆炸, 觸發(fā)過驅(qū)爆震

3、波。對于低活性混氣, 在突擴(kuò)段沒有形成過驅(qū)爆震波, 爆震波速逐漸恢復(fù)。 通過化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)分析可知 , 高活性混氣的爆震波不穩(wěn)定性參數(shù)較高 , 更容易形成局部爆炸。在突擴(kuò)比為 1.34 的通道內(nèi)傳播時,d?(28)1 可以作為爆震波能否成功傳播的依據(jù)；在突擴(kuò)比為4的通道內(nèi)傳播時，d?增大至2左右。對PDCft非穩(wěn)態(tài)進(jìn)氣特性 進(jìn)行數(shù)值模擬研究。分析了爆震管與外涵道的氣流分布, 發(fā)現(xiàn)爆震管內(nèi)氣流沿周向的分布不均勻在爆震管頭部形成回流區(qū)。 在外涵道進(jìn)氣孔處氣流速度最大, 隨后迅速下降, 在相鄰進(jìn)口之間的外涵道中存在渦旋。研究了爆震管總壓和流量參數(shù)隨著進(jìn)氣孔參數(shù)和工作頻率的變化 , 發(fā)現(xiàn)總壓與流量與進(jìn)

4、氣孔面積變化有關(guān), 工作頻率對其影響不大。 當(dāng)進(jìn)氣孔角度變大, 氣流在爆震管的穿透深度較大, 總壓損失減小。研究了爆震管內(nèi)總壓恢復(fù)系數(shù)和進(jìn)氣效率隨進(jìn)氣孔型面的變化 , 當(dāng)型面由圓柱面變?yōu)殄F形面, 內(nèi)涵流量增大, 外涵流量減小 , 爆震管內(nèi)進(jìn)氣效率提高 , 總壓恢復(fù)系數(shù)變大。測量了旋轉(zhuǎn)閥式 PDC真型流阻特性，發(fā)現(xiàn)模型的冷態(tài)阻力隨進(jìn)口壓力增加呈近似線性增大, 爆震管的總壓恢復(fù)系數(shù)隨進(jìn)氣馬赫數(shù)的增大而線性減小流阻系數(shù)隨著進(jìn)氣馬赫數(shù)增大而略有增大。對旋轉(zhuǎn)閥式PDC真型的起爆性能進(jìn)行研究，探討凹腔點火、射流點火以及預(yù)爆管點火方式的多循環(huán)爆震波起爆特性。采用凹腔點火方式的模型頻率為 10 至30Hz 時可以連續(xù)工作, 但是沒有獲得連續(xù)的爆震波, 且壓力峰值隨著頻率增大而減小。分析了點火提前/滯后時刻對PDCT作的影響，提前點火時，模型產(chǎn)生掉頻現(xiàn)象 ; 滯后點火時, 掉頻現(xiàn)象消失, 前導(dǎo)激波壓力峰值隨著點火時刻的增加而下降。針對采用射流點火方式提出旋轉(zhuǎn)閥與氣動閥組合進(jìn)氣方案 , 并對流場進(jìn)行數(shù)值模擬研究 , 發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣效率提高 , 爆震管總壓恢復(fù)系數(shù)上升。該模型在20Hz 工作頻率可以獲得連續(xù)穩(wěn)定的爆震波。通過高頻間歇閥控制氫氣/空氣混氣供入預(yù)爆管，PDC模型在最大工作頻率30Hz下可以獲得連續(xù)爆震波。研究擾流器形式對多循環(huán)DDT(Deflagration-to-De