脉冲爆震发动机喷管性能的数值模拟研究

论文摘要

尾喷管是脉冲爆震发动机(PDE)的重要部件,其作用就是将爆震室排出的高温高压燃气所包含的热能通过在尾喷管中继续膨胀转变为动能,以便获得尽可能大的推力,对提高发动机的推进性能起着重要的作用。脉冲爆震发动机尾喷管流动是周期性的、非定常的,存在复杂的激波、膨胀波、接触面的相互作用。这给脉冲爆震发动机喷管的设计和分析带来了很大的挑战。本文对脉冲爆震发动机的尾喷管流场以及喷管性能进行了研究。主要做了以下工作:(1)结合了吸气式脉冲爆震发动机的工作原理以及循环,建立带喷管的脉冲爆震发动机简化的性能计算模型。利用计算模型估算了单次脉冲循环的脉冲爆震发动机的性能。(2)通过了数值模拟的方法对接不同结构喷管的脉冲爆震发动机进行了单脉冲研究,观察了爆震燃烧室和喷管流场的变化情况,并对不同喷管的性能进行了分析。数值模拟主要采用的是带有限速率化学反应的二维迎风型TVD格式的CFD程序,燃料采用了完全当量比的H2/空气混合物。研究的喷管结构包括直延伸喷管、收敛喷管、扩张喷管、收敛扩张喷管和引射器的喷管。数值模拟结果表明,喷管对PDE的流场产生了显著的影响;喷管对PDE的推进性能的提高有一定作用,每种喷管的性能并不相同。为了提高PDE的推进性能,PDE喷管应该可以减小排气激波的强度,同时保持爆震管出口处的高背压。(3)利用了CFD程序研究了无阀吸气式多管PDE的共用喷管的流动特性和推进性能。结果表明:共用喷管对PDE流场会产生重要影响,设计合理的共用喷管对优化多管PDE的性能和保证协调稳定的工作具有重要作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 脉冲爆震发动机的研究和发展现状
• 1.3 尾喷管研究综述
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 脉冲爆震发动机性能的理论分析
• 2.1 爆震波传播过程的基本方程
• 2.2 爆震燃烧的热效率
• 2.3 单循环带喷管的脉冲爆震发动机性能模型一
• 2.3.1 PDE 流动参数的计算模型
• 2.3.2 算例和结果分析
• 2.4 单循环带喷管的脉冲爆震发动机性能模型二
• 2.4.1 PDE 特征线法性能计算模型
• 2.4.2 算例和结果分析
• 2.5 小结
• 第三章 单管脉冲爆震发动机喷管的数值模拟研究
• 3.1 控制方程
• 3.2 爆震化学反应模型
• 3.3 数值方法
• 3.4 程序的验证
• 3.5 PDE 喷管模型
• 3.6 计算结果讨论与分析
• 3.6.1 不同喷管的流场分析
• 3.6.2 推进性能的计算
• 3.7 小结
• 第四章 多管脉冲爆震发动机共用喷管的数值模拟研究
• 4.1 多管PDE 喷管的计算模型
• 4.2 两管PDE 喷管计算结果的讨论
• 4.3 小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 主要的结论
• 5.2 未来工作的建议和展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 附录A 化学反应模型
• 附录B 部分相似管形的喷管的计算结果