多循环脉冲爆轰发动机内、外流场的实验和数值研究

论文摘要

脉冲爆轰发动机是一种利用脉冲式的爆轰波来产生推力的新概念发动机,因为没有旋转部件,脉冲爆轰发动机较传统涡轮发动机具有结构简单、推重比大等优点。上世纪80年代以来,在脉冲爆轰发动机实验研究和数值模拟等方面取得了一系列重要成果,但是有关外流场动力学结构的研究报道很少。脉冲爆轰发动机工作时,管内流场动力学结构影响管外流场中波系发展特征,外流场中波系又会反作用于管内流场,导致系统推力的震荡和性能的不稳定,且多循环管内、外流场结构存在较大差异。因此研究多循环爆轰外流场的动力学结构有重要的学术价值和应用价值。本文利用自行设计的爆轰管,对脉冲爆轰发动机工作过程进行了实验,获得了爆轰内流场的压力历史,并用YA-16高速阴影系统拍摄了爆轰外流场清晰的时序阴影照片。并且采用带基元化学反应的二维轴对称Euler方程,其中使用波传播算法求解对流项,对减少化学反应计算时间的ISAT方法（动态自适应建表）进行改进,采用多次建表方法求解化学反应源项,对多循环脉冲爆轰发动机的工作过程进行了数值模拟。根据计算结果和相关的计算流动显示技术,绘制了计算阴影图。基于实验结果,计算结果以及计算阴影图,本文对典型的多循环爆轰内、外流场的动力学特征进行了详细的系统阐述,揭示了涡环和悬吊激波产生的机理。在本文工作条件下,第一次循环中的爆轰波泄出爆轰管后,进入管外的惰性气体中,衰减为无化学反应的球面激波。泄出过程导致压力梯度和密度梯度方向的不一致,这些都使得流场在出口附近区域形成涡环,对流场而言,涡环如同具有敛散效应的流体喷管。高压燃烧产物泄出时,在出口处膨胀产生Prandtl-Meyer流动,为了协调管口膨胀流场和管外引导激波的压缩流场,在外流场中形成止于涡环的悬吊激波。随着燃烧产物出口流量的变化,流管的敛散角度也随之变化,导致悬吊激波强度,形状和位置的变化。第二次循环中爆轰波溢出爆轰管后,由于轴线附近,激波前的气体是定向流动的,而波后出口气流的出口流率极高,从而导致引导激波的阵面在轴线附近逐渐突前,成为葫芦形。实验获得的照片和计算阴影图,形象的说明了第一、二次爆轰中涡环,悬吊激波和引导激波的特征和变化发展过程。本文还根据实验获得的不同速度反应激波出口的外流场阴影照片,阐述了外流场发展规律。即在其他条件不变时,出口激波速度越大,外流场中形成的悬吊激波弯曲程度也越大,呈蘑菇云状燃烧产物的头部越厚,形成的二次前传激波越圆。本文还分析了尾喷管对推进性能的影响,即直管喷管的封闭端推力平台存在时间最长,发散管次之,收敛管最小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题研究背景及意义
• 1.2 爆轰的相关概念说明
• 1.2.1 爆轰的物理过程
• 1.2.2 爆轰波的C-J理论和ZND模型
• 1.2.3 爆轰波的非定常结构
• 1.2.4 脉冲爆轰发动机的工作循环过程
• 1.3 脉冲爆轰发动机研究概况
• 1.3.1 实验研究状况
• 1.3.2 数值模拟研究状况
• 1.3.3 爆轰外流场可视化研究概况
• 1.4 本文的主要工作
• 2 实验研究
• 2.1 实验装置
• 2.1.1 爆轰管
• 2.1.2 配气系统
• 2.1.3 点火起爆系统
• 2.1.4 压力测量系统
• 2.1.5 阴影摄影系统
• 2.1.6 时序控制系统
• 2.2 反应激波泄出流场的实验研究
• 2.3 本章小结
• 3 数值模拟方法
• 3.1 控制方程
• 3.2 对流项的计算
• 3.2.1 Roe格式
• 3.2.2 对流方程的计算格式
• 3.2.3 波传播算法
• 3.3 化学反应源项的计算
• 3.4 动态存储/删除算法
• 3.4.1 动态存储/删除算法的思想
• 3.4.2 数据表结构
• 3.4.3 建表查询和删表步骤
• 3.4.4 动态存储/删除算法流程图
• 3.5 PDE算例
• 3.5.1 评价算法计算效果的一些参数
• 3.5.2 计算精度
• 3.5.3 计算效率
• 3.6 计算阴影
• 3.7 小结
• 4 多循环脉冲爆轰的实验和数值研究
• 4.1 循环脉冲爆轰
• 4.2 第一次脉冲爆轰
• 4.2.1 管内流场
• 4.2.2 管外流场
• 4.2.3 第一次脉冲爆轰
• 4.3 第二次脉冲爆轰
• 4.3.1 管内流场
• 4.3.2 管外流场
• 4.3.3 第二次脉冲爆轰
• 4.4 脉冲爆轰的两次循环
• 4.5 小结
• 5 尾喷管的影响
• 5.1 管内流场
• 5.2 管外流场
• 5.3 综合分析
• 5.4 本章小结
• 6 结论和展望
• 6.1 本文的主要结论和创新
• 6.1.1 本文的主要结论
• 6.1.2 本文的创新之处
• 6.2 对下一步工作的建议
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的论文