脉冲爆震发动机性能分析及调节特性研究

论文摘要

本文首先分析了理想爆震循环、Humpmy循环和Brayton循环之间的差异，在此基础上，针对理想脉冲爆震发动机（PDE）非稳态工作特性，引入了代表参与爆震循环工质与流入发动机内总工质比的循环系数概念，研究了理想脉冲爆震发动机的推进性能，并与理想传统稳态推进发动机进行了性能对比。对于以部分充填状态工作的脉冲爆震发动机，本文也建立了计算其理想性能的部分充填爆震循环模型，结果表明，当隔离气体参与热力循环过程时会降低发动机总循环热效率，但这种工作方式可以有效增大脉冲爆震发动机的推进性能。由于理想脉冲爆震发动机性能模型只能计算一定工况下发动机所能达到的最大性能，因此，为了评估脉冲爆震发动机实际推进性能，本文总结了计算直管脉冲爆震发动机实际推进性能的完全充填和部分充填性能模型，利用该模型分析了使用C8H18-Air和H2-Air两种燃料系统时火箭式脉冲爆震发动机的性能趋势，并与理想性能趋势进行了对比。同时，本文在自行研制的脉冲爆震发动机试验器上对模型的正确性及适用范围进行了验证，结果表明，归一化部分充填模型在适用性范围上比完全充填直管爆震室性能模型更广。当直管脉冲爆震发动机后加装收敛扩张喷管（CD喷管）后，其内部流场与直管PDE有很大不同，针对其工作特点，本文建立了计算其性能的状态均一化排气模型，其计算结果与试验结果相符，通过引入一定的修正形式，模型可以比较准确地预估带CD喷管的脉冲爆震发动机性能。在火箭式脉冲爆震发动机零维性能计算模型的基础上，通过引入进气道和泄气旁路，建立了吸气式脉冲爆震发动机（APDE）零维性能计算模型，利用此零维模型分析了各种工作条件变化对亚音速和超音速发动机性能的影响，分析了吸气式脉冲爆震发动机性能调节特性：节流特性和变频特性，给出了吸气式脉冲爆震发动机可能的调节规律。最后，针对脉冲爆震发动机零维性能模型的局限性，本文建立了反映脉冲爆震发动机实际工作过程的一维仿真性能模型，通过对脉冲爆震发动机单循环工作过程仿真，验证了该性能模型的正确性。基于此模型，仿真计算了两种结构形式的吸气式脉冲爆震发动机：带旁路分开排气APDE和带旁路混合排气APDE。结果表明，在进气道后引入泄气旁路可以有效降低爆震室工作状态变化对进气道性能的影响，同时可以降低进气道后声学腔体积的要求；当泄气气流在混合室内与爆震室燃烧排出的高温产物参混降低了排气温度和速度，在合理的发动机结构设计下，可以明显提高APDE推进效率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 脉冲爆震发动机性能分析方法
• 1.1.1 零维模型
• 1.1.2 一维模型
• 1.1.3 二维或多维模型
• 1.2 脉冲爆震发动机性能调节方法研究
• 1.2.1 爆震燃烧前初始条件的影响
• 1.2.2 爆震混合物充填系数的影响
• 1.2.3 填充/点火策略的影响
• 1.2.4 可爆极限
• 1.3 本文主要研究内容与意义
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究意义
• 第二章 理想脉冲爆震发动机性能分析
• 2.1 引言
• 2.2 理想爆震循环分析
• 2.2.1 爆震循环分析模型
• 2.2.2 理想爆震循环分析
• 2.3 理想脉冲爆震发动机热力循环性能分析
• 2.3.1 理想PDE结构模型和工作过程分析
• 2.3.2 理想循环分析及循环效率
• 2.3.3 理想PDE的性能和效率
• 2.4 理想PDE的性能分析结果
• 2.4.1 等燃油流量
• 2.4.1.1 混合增压时理想PDE性能分析
• 2.4.1.2 速度冲压时理想PDE性能分析
• 2.4.2 等油气比f
• 2.4.2.1 混合增压时理想PDE性能分析
• 2.4.2.2 速度冲压时理想PDE性能分析
• 2.5 部分充填对理想PDE性能的影响
• 2.5.1 部分充填爆震循环模型
• 2.5.2 部分充填爆震热力循环分析
• 2.5.2.1 理想循环分析
• ei,PfDet'>2.5.2.2 理想循环有效功L_ei,PfDet
• ei,PfDet'>2.5.2.3 总循环热效率η_ei,PfDet
• 2.5.2.4 分析结果
• 2.5.3 部分充填对脉冲爆震发动机性能的影响
• 2.5.3.1 情况Ⅰ
• 2.5.3.2 情况Ⅱ
• 2.6 本章结论
• 第三章 火箭式脉冲爆震发动机性能模型
• 3.1 引言
• 3.2 直管脉冲爆震发动机性能模型研究
• 3.2.1 引言
• 3.2.2 完全充填直管PDE性能模型
• 3.2.2.1 单循环冲量计算模型
• 3.2.2.2 完全充填直管PDE性能参数
• 3.2.2.3 性能分析
• 3.2.2.4 考虑阻力和两相效应的单循环冲量计算模型
• 3.2.3 部分充填直管PDE性能模型
• 3.2.3.1 直管爆震室部分充填性能模型
• 3.2.3.2 性能分析
• 3.3 带喷管脉冲爆震发动机性能模型研究
• 3.3.1 引言
• 3.3.2 状态均一化排气模型
• 3.3.2.1 分析过程和假设
• 3.3.2.2 AB段气体状态均一化
• 3.3.2.3 隔离空气段状态均一化（BC段）
• 3.3.2.4 爆震室气动状态均一化（AC段）
• 3.3.2.5 排气模型及性能计算方法
• 3.3.2.6 分析比较及模型改进
• 3.4 脉冲爆震发动机的可爆极限
• 3.4.1 可爆极限问题
• 2-Air系统的可爆极限'>3.4.2 H₂-Air系统的可爆极限
• 3.4.2.1 最小点火能量极限
• 3.4.2.2 可爆极限
• 3.4.3 Hydrocarbon-Air系统的可爆极限
• 3.4.2.1 最小点火能量极限
• 3.4.2.2 可爆极限
• 3.5 本章结论
• 第四章 吸气式脉冲爆震发动机性能模型及调节规律研究
• 4.1 引言
• 4.2 吸气式脉冲爆震发动机性能模型
• 4.2.1 假设
• 4.2.2 性能计算方法
• 4.2.2.1 模型分析
• 4.2.2.2 计算模型组成
• 4.2.3 APDE飞行特性分析
• 4.2.3.1 亚音速飞行性能
• 4.2.3.2 超音速飞行性能
• 4.3 APDE调节特性分析
• 4.3.1 引言
• 4.3.2 变频特性
• 4.3.3 节流特性
• 4.4 吸气式脉冲爆震发动机的调节规律
• 4.4.1 被控参数的选择
• 4.4.2 最大状态控制规律
• 4.4.3 巡航状态控制规律
• 4.5 本章结论
• 第五章 脉冲爆震发动机工作过程仿真及性能分析
• 5.1 引言
• 5.2 一维模型
• 5.2.1 控制方程
• 5.2.2 控制方程组的离散和求解
• 5.3 火箭式脉冲爆震发动机工作过程仿真
• 5.3.1 单次爆震工作过程仿真
• 5.3.1.1 模型描述
• 5.3.1.2 初始条件和边界条件
• 5.3.1.3 单次爆震排气过程仿真
• 5.3.1.4 单次爆震排气性能
• 5.3.1.5 网格步长的影响
• 5.3.2 火箭式多循环工作过程描述及性能仿真
• 5.3.2.1 工作过程描述
• 5.3.2.2 初始条件和边界条件
• 5.3.2.3 PDRE工作过程仿真
• 5.3.2.4 多循环PDRE性能
• 5.4 吸气式脉冲爆震发动机工作过程仿真及性能分析
• 5.4.1 吸气式脉冲爆震发动机进气形式分析
• 5.4.1.1 APDE进气结构形式
• 5.4.1.2 无泄气旁路进气性能分析
• 5.4.1.3 有泄气旁路进气性能分析
• 5.4.2 带旁路分开排气吸气式脉冲爆震发动机工作过程仿真
• 5.4.2.1 模型及工作过程描述
• 5.4.2.2 初始条件和边界条件
• 5.4.2.3 带旁路分开排气APDE工作过程仿真
• 5.4.2.4 带旁路分开排气APDE性能
• 5.4.3 带旁路混合排气吸气式脉冲爆震发动机工作过程仿真
• 5.4.3.1 引言
• 5.4.3.2 模型及工作过程描述
• 5.4.3.3 初始条件和边界条件
• 5.4.3.4 带旁路混合排气APDE工作过程仿真
• 5.4.3.5 带旁路混合排气APDE性能
• 5.5 本章结论
• 第六章 脉冲爆震发动机模型试验研究
• 6.1 引言
• 6.2 脉冲爆震发动机试验系统描述及其测控系统设计
• 6.2.1 系统描述
• 6.2.2 测控系统硬件设计
• 6.2.3 测控系统软件设计
• 6.3 火箭式脉冲爆震发动机模型试验研究
• 6.3.1 试验设备
• 6.3.2 冷态试验
• 6.3.3 当量比对发动机性能的影响
• 6.3.4 充填系数对发动机性能的影响
• 6.3.5 工作频率对发动机性能的影响
• 6.4 吸气式脉冲爆震发动机模型试验研究
• 6.4.1 试验设备
• 6.4.2 冷态试验
• 6.4.3 热态试验
• 6.5 本章结论
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文的研究结论
• 7.2 本文的创新点
• 7.3 今后研究的发展方向
• 致谢
• 参考文献