超声速预混气中爆震波起爆与传播机理研究

论文摘要

超声速流中的爆震波起爆与传播性质与静止气体中存在很大差异。依据来流的状态与稳定机理不同超声速流中的爆震波会呈现斜爆震波与正爆震波两种形态。本文采用实验观测结合数值模拟方法,对超声速流中斜激波诱导起爆与射流起爆两种起爆方式的机理进行了研究,并对斜爆震波向正爆震波的转变及超声速流中正爆震波的传播性质进行了研究。采用自行设计的超声速爆震实验系统,通过更换不同的实验部件,实现了设备的多功能化。在研究边界层对爆震波传播影响过程中,由于需要考虑粘性的作用,因此采用NS方程进行数值模拟计算。在其他研究中,采用欧拉方程进行数值模拟计算。开展了超声速流中爆震波的起爆研究。采用斜激波诱导起爆方式,通过改变来流状态与斜劈角度,得到了不同状态下的爆震波起爆特性。研究结果表明,在前导激波后是否出现亚声速区是决定形成突跃型还是平滑型爆震波的主要因素。当量比高,斜劈角度大时会使得起爆更加容易。而来流马赫数对爆震波起爆的影响并不是确定的,而是由两种因素共同作用的结果。在减小来流温度后,由于壁面的作用,可能会造成爆震波前传。对于带有转折角的斜劈,在斜爆震波处于过驱动状态情况下,转折后将可能出现三种结果:当转折点距离斜劈前端较远时,会使斜爆震波较为平滑的过渡到CJ斜爆震;当转折点距离斜劈前端较近时,导致爆震波面发生解耦。若转折后的斜劈诱导的斜激波仍然能够引燃预混气体,则会再次形成对应于转折后斜劈角度的斜爆震波。对于CJ斜爆震,若转折点位于CJ面之后,则爆震波不受影响。当转折点位于CJ面之前时,将会导致爆震波的角度减小,爆震波解耦。在斜激波诱导爆震波起爆的基础上,开展了另一种常用的起爆方法—热射流起爆的研究。实验中采用了低速、高速与爆震三种形态的射流。对于低速热射流,热射流通过DDT过程实现预混气起爆。对于爆震射流,需要半球形激波反射与局部激波燃烧耦合面的共同作用才能够起爆来流。对于高速热射流,来流速度对于起爆机理有重大影响。当来流速度较低时,需要球形激波反射与迎风面弓形激波燃烧耦合面的共同作用才能够起爆。而当来流速度较高时,射流是通过DDT过程起爆来流。在斜激波诱导爆震波起爆研究中,发现在来流速度大于CJ速度的情况下爆震波依然会前传,因此对这种现象的机理展开了深入研究。发现爆震波与壁面作用发生马赫反射是爆震波前传的必要条件。发生马赫反射后的马赫干实际为一收缩流道中的过驱动正爆震波。通过理论上推导证明其传播速度将大于CJ速度,并给出了爆震波发生马赫反射的条件。在正爆震波传播中,发现边界层对爆震波的传播有着很大影响,边界层附近的爆震波会发生分离。采用过膨胀起爆方法起爆爆震波并使其向上游传播,实验结果显示在分离区不大时爆震波的传播速度大于CJ速度。分析数值模拟结果后发现爆震波后的流动面积变化是导致爆震波传播速度增加的因素,爆震波后形成的收缩—扩张型面导致了爆震波在一定条件下波速大于CJ速度。实验中还发现了爆震波在传播过程中会发生解耦和二次起爆现象,这是由于爆震波分离区域过大导致爆震波解耦,随后波后激波串又重新起爆来流导致的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的背景与意义
• 1.2 爆震发动机的研究进展
• 1.2.1 脉冲爆震发动机
• 1.2.2 连续旋转爆震发动机
• 1.2.3 斜爆震发动机
• 1.2.4 超声速脉冲爆震冲压发动机
• 1.3 爆震波起爆与传播机理研究进展
• 1.3.1 爆震理论模型的发展
• 1.3.2 爆震起爆研究
• 1.3.3 边界层对爆震波传播的影响
• 1.4 本文的主要工作
• 第二章 实验系统与数值方法
• 2.1 引言
• 2.2 超声速爆震实验系统
• 2.2.1 斜爆震实验系统
• 2.2.2 热射流起爆实验系统
• 2.2.3 超声速流中正爆震波传播实验系统
• 2.3 测量与控制系统
• 2.3.1 流场测量技术
• 2.3.2 压力测量与实验控制系统
• 2.4 高性能刀片服务器仿真平台
• 2.5 数值方法
• 2.5.1 无粘控制方程
• 2.5.2 解耦方法及化学反应机理
• 2.5.3 数值离散格式
• 2.5.4 边界条件处理
• 2.5.5 NS方程及其处理
• 2.5.6 湍流模型及其处理
• 2.5.7 离散方法
• 2.6 算例验证
• 2.6.1 欧拉方程的验证
• 2.6.2 NS方程算法验证
• 2.7 本章小结
• 第三章 超声速气流中斜激波诱导爆震波起爆研究
• 3.1 两种爆震波形态形成机理的数值模拟研究
• 3.1.1 来流条件对爆震波形态的影响
• 3.1.2 横向激波的产生条件
• 3.2 斜爆震波起爆机理的试验研究
• 3.2.1 来流预混气的预着火特性测量
• 3.2.2 斜爆震波起爆的基本过程
• 3.2.3 来流当量比对斜爆震波起爆特性的影响
• 3.2.4 来流马赫数对起爆极限的影响
• 3.2.5 温度对斜爆震波起爆极限的影响
• 3.2.6 诱导激波强度对斜爆震波起爆极限的影响
• 3.3 带有折角的斜劈作用下爆震波向CJ状态转变的机理分析
• 3.3.1 斜劈结构对转变过程影响
• 3.3.2 过驱动爆震向CJ爆震转变的机理
• 3.4 本章小结
• 第四章 超声速流中热射流起爆爆震波机理研究
• 4.1 低速持续热射流诱导DDT研究
• 4.1.1 预混气当量比对射流诱导DDT影响
• 4.1.2 来流温度对起爆过程的影响
• 4.1.3 来流马赫数的影响
• 4.2 爆震射流诱导起爆过程研究
• 4.2.1 来流当量比的影响
• 4.2.2 射流强度的影响
• 4.3 高速热射流诱导起爆机理研究
• 4.3.1 高速热射流诱导起爆基本过程
• 4.3.2 来流当量比对起爆过程的影响
• 4.3.3 来流温度对起爆极限的影响
• 4.3.4 来流马赫数对起爆过程的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 超声速流中斜爆震波驻定特性研究
• 5.1 斜爆震波向正爆震波的转变
• 5.2 斜爆震波前传机理的数值模拟研究
• 5.2.1 来流当量比对斜爆震波前传的影响
• 5.2.2 斜劈角度对斜爆震波前传的影响
• 5.2.3 规则反射时斜爆震波驻定特性
• 5.2.4 来流温度对斜爆震波前传的影响
• 5.2.5 来流马赫数对斜爆震波前传的影响
• 5.3 斜爆震波驻定条件分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 超声速气流中正爆震波的传播特性研究
• 6.1 超声速流中爆震波的起爆
• 6.2 超声速流中正爆震波传播的实验研究
• 6.2.1 超声速流中正爆震波的传播形态与特征
• 6.2.2 来流当量比对爆震波传播的影响
• 6.2.3 惰性气体边界层对爆震波传播的影响
• 6.3 超声速流中正爆震波传播的数值模拟研究
• 6.4 超声速流中正爆震波传播性质讨论
• 6.5 爆震波熄爆与二次起爆机理研究
• 6.6 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学习期间取得的学术成果以及参加科研项目情况
• 附录A