等离子体点火对脉冲爆轰发动机两相爆轰过程影响的研究

论文摘要

脉冲爆轰发动机（Pulse Detonation Engine,简称PDE）是一种利用脉冲式爆轰波产生的高温、高压燃气来获得推力的新概念发动机。它具有热循环效率高、结构简单、重量轻、工作范围宽等特点,在未来的航空航天与兵器领域具有广阔的应用前景。等离子体点火具有点火能量大、能量转移效率高、可加速化学反应等特点,能够极大地缩短点火延迟时间和提高点火起爆成功率。本文以等离子体点火的液体燃料脉冲爆轰发动机为研究对象,根据脉冲爆轰发动机流场的特点,建立合理的数学物理模型,应用时空守恒元和求解元方法（简称CE/SE方法）进行数值求解,用Fortran语言编写程序,对脉冲爆轰发动机中等离子体点火和汽油／空气两相燃烧转爆轰过程进行了一维、二维、三维的数值模拟,并在此基础上,进行了相关的脉冲爆轰发动机实验研究。主要内容包括：（1）建立了脉冲爆轰发动机中考虑等离子体点火的一维两相爆轰的数学物理模型,推导了相应的一维CE/SE方法计算格式,编写了相关计算程序,实现了对脉冲爆轰发动机中等离子体点火和气液两相燃烧转爆轰过程的数值模拟。（2）建立了等离子体发生器内外流场的二维／轴对称数学物理模型,推导了二维含扩散项CE/SE方法的计算格式以及流场、电磁场参数耦合的雅可比系数矩阵,编写了相关计算程序,通过对耦合的流体力学方程与电磁学方程求解,实现了对等离子体发生器内外流场的数值模拟,获得了等离子体射流的温度、压力、速度等参数的变化规律。（3）建立了考虑等离子体点火的脉冲爆轰发动机二维／轴对称两相爆轰的数学物理模型,采用CE/SE方法数值求解,编写了相关计算程序,实现了对脉冲爆轰发动机中等离子体点火和气液两相爆轰的二维／轴对称数值模拟,分析了两种等离子体点火位置对脉冲爆轰发动机点火起爆过程的影响。结果表明：点火位置对燃烧转爆轰过程有影响。采用壁面点火方式时,点火位置靠近推力壁可以缩短点火起爆的时间和距离。（4）建立了脉冲爆轰发动机中考虑组分反应的二维／轴对称两相爆轰控制方程,采用CE/SE方法进行数值求解,编写了相关计算程序,分析了不同的等离子体射流能量和射流时间对点火起爆过程的影响以及考虑组分反应模型和不考虑组分反应模型在描述脉冲爆轰发动机点火起爆过程中的异同。结果表明：在一定范围内增加等离子体射流能量与射流时间可以缩短形成稳定爆轰波的时间和距离。在爆轰波形成之前,考虑组分反应模型能更为细致地反映管内流场变化；在稳定爆轰波形成之后,考虑组分反应模型和不考虑组分反应模型对爆轰波的描述基本相同。（5）建立了等离子体点火的脉冲爆轰发动机三维数学物理模型,推导了三维CE/SE方法的计算格式,编写了相关计算程序,实现了对考虑点火室结构的脉冲爆轰发动机点火起爆过程的数值模拟,分析了不同进气速度条件下凹槽+单环片、凹槽+双环片点火室结构对点火起爆过程的影响以及三维模型和二维模型在脉冲爆轰发动机内反映流场时的异同。结果表明：在脉冲爆轰发动机中设置点火室可以显著降低点火位置的气流速度,并在点火室内形成大范围的高压区域。在10m/s～200m/s的填充气流速度下,凹槽+双环片点火室的点火起爆时间和距离距略小于凹槽+单环片点火室,随着气流速度的提高,两者间的差距逐渐缩小。随着爆轰管内填充气流速度提高,形成稳定爆轰波的时间和距离均缩短。在点火室区域波传播的三维效应非常明显,在稳定爆轰波形成之后,管内的三维效应不明显。（6）建立了脉冲爆轰发动机中考虑组分反应的三维两相爆轰控制方程,采用CE/SE方法进行数值求解,编写了相关计算程序,比较了等离子体点火条件下在点火室局部形成的三种燃料/氧化剂配比对点火起爆过程的影响。结果表明：提高点火室局部氧气的质量浓度能在点火后加速化学反应速率,增强燃烧波强度,缩短点火起爆的时间和距离。同时增加点火室局部燃料和氧气的质量浓度则可以在初始阶段形成强度较弱的爆轰波,进一步缩短点火起爆的时间和距离。（7）进行了以液态汽油/空气为工质、工作频率为10Hz～30Hz的脉冲爆轰发动机实验研究,通过改变点火室局部的燃料/氧化剂配比,得到了等离子体点火和常规火花点火条件下脉冲爆轰发动机的点火延迟时间、燃烧转爆轰时间和工作频率之间的关系。实验结果表明：随着脉冲爆轰发动机工作频率的提高,点火延迟时间逐渐减少。燃烧转爆轰时间基本不受工作频率的影响。等离子体的点火延迟时间小于常规火花点火的点火延迟时间,随着工作频率的提高,点火延迟时间减少的程度下降。在多种工作频率下,等离子体点火的燃烧转爆轰时间均略小于常规火花点火的燃烧转爆轰时间。提高点火室局部氧气质量浓度可以缩短点火延迟时间和燃烧转爆轰时间。本文在国内首次将等离子体点火技术应用于脉冲爆轰发动机的点火起爆过程,分析了等离子体点火对脉冲爆轰发动机燃烧转爆轰过程的影响,研究了脉冲爆轰发动机中等离子体点火起爆的机理,实现了用等离子体点火起爆技术缩短燃烧转爆轰时间和距离的目的,对提高脉冲爆轰发动机的性能具有重要的理论意义和工程实际价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 脉冲爆轰发动机简介
• 1.2.1 脉冲爆轰发动机的特点及工作过程
• 1.2.2 脉冲爆轰发动机的优点及应用前景
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 脉冲爆轰发动机研究现状
• 1.3.2 脉冲爆轰发动机点火起爆的实验研究现状
• 1.3.3 脉冲爆轰发动机点火起爆的数值模拟研究现状
• 1.3.4 脉冲爆轰发动机中等离子体点火研究现状
• 1.4 CE/SE方法简介
• 1.5 本文所做的主要工作
• 2 等离子体射流能量与时间对PDE一维两相爆轰影响的数值计算
• 2.1 等离子体点火的脉冲爆轰发动机一维两相爆轰理论模型
• 2.1.1 基本假设
• 2.1.2 控制方程
• 2.2 一维CE/SE方法
• 2.2.1 守恒元与求解元的确定
• 2.2.2 计算格式的推导
• 2.2.3 边界条件及源项的处理
• 2.3 初始条件和边界条件
• 2.4 计算结果及其分析
• 2.4.1 等离子体射流时间对点火起爆过程影响分析
• 2.4.2 等离子体射流能量对点火起爆过程影响分析
• 2.5 本章小结
• 3 等离子体发生器内外流场的数值计算
• 3.1 等离子体发生器内外流场轴对称非定常流动的数学物理模型
• 3.1.1 物理过程
• 3.1.2 轴对称磁流体动力学控制方程
• 3.2 二维带扩散项的CE/SE方法
• 3.2.1 守恒元与求解元的确定
• 3.2.2 计算格式的推导
• 3.2.3 磁流体动力学控制方程的雅克比矩阵
• 3.3 初始条件和边界条件
• 3.4 计算结果及其分析
• 3.4.1 等离子体发生器内流场的计算结果及其分析
• 3.4.2 等离子体发生器外流场的计算结果及其分析
• 3.5 本章小结
• 4 等离子体点火位置对PDE点火起爆影响的二维/轴对称两相数值计算
• 4.1 考虑等离子体点火的PDE二维/轴对称两相爆轰数学物理模型
• 4.1.1 物理过程
• 4.1.2 等离子体射流的控制方程
• 4.1.3 二维/轴对称两相爆轰的控制方程
• 4.2 二维CE/SE方法及其雅克比系数矩阵
• 4.3 初始条件、边界条件及源项的处理
• 4.4 计算结果及其分析
• 4.4.1 PDE中等离子体点火的两种位置分布
• 4.4.2 壁面点火方式1
• 4.4.3 壁面点火方式2
• 4.5 本章小结
• 5 等离子体射流能量与时间对PDE考虑组分反应的二维/轴对称两相爆轰影响的数值计算
• 5.1 物理过程
• 5.2 考虑组分反应的二维/轴对称两相爆轰控制方程
• 5.3 计算方法与雅克比系数矩阵
• 5.4 初始条件、边界条件及源项的处理
• 5.5 计算结果及其分析
• 5.5.1 等离子体射流能量对点火起爆过程影响的分析
• 5.5.2 等离子体射流时间对点火起爆过程影响的分析
• 5.6 部分计算结果与实验比较
• 5.7 组分反应对计算结果的影响
• 5.8 本章小结
• 6 等离子体点火条件下PDE点火起爆过程的三维两相数值计算
• 6.1 等离子体点火的PDE三维物理过程
• 6.2 三维两相爆轰控制方程
• 6.3 三维CE/SE方法
• 6.3.1 守恒元与求解元的确定
• 6.3.2 计算格式的推导
• 6.3.3 三维两相爆轰控制方程的雅克比系数矩阵
• 6.4 初始条件、边界条件及源项的处理
• 6.5 计算结果及其分析
• 6.5.1 点火室结构对PDE爆轰管内速度场的影响
• 6.5.2 凹槽+单环片点火室的计算结果分析
• 6.5.3 凹槽+双环片点火室的计算结果分析
• 6.5.4 两种点火室结构对点火起爆过程影响的分析
• 6.5.5 不同进气速度对点火起爆过程影响的分析
• 6.6 本章小结
• 7 等离子体点火条件下PDE内考虑组分反应的三维两相爆轰的数值计算
• 7.1 物理过程
• 7.2 考虑组分反应的三维两相爆轰控制方程
• 7.3 考虑组分反应的三维两相爆轰控制方程的计算方法与雅克比系数矩阵
• 7.4 初始条件、边界条件及源项的处理
• 7.5 计算结果及其分析
• 7.5.1 三种方案的点火室局部燃料/氧气配比模型
• 7.5.2 三种方案的点火室局部燃料/氧气配比的计算结果及其分析
• 7.6 部分计算结果与实验比较
• 7.7 本章小结
• 8 脉冲爆轰发动机点火起爆过程的实验研究
• 8.1 实验系统
• 2质量浓度30%的实验结果及其分析'>8.2 局部O₂质量浓度30%的实验结果及其分析
• 8.2.1 等离子体点火的PDE工作频率为10Hz～30Hz的实验结果分析
• 8.2.2 等离子体点火与火花点火的实验结果分析
• 8.2.3 不同频率下的点火延迟时间和燃烧转爆轰时间分析
• 2质量浓度40%的实验结果及其分析'>8.3 局部O₂质量浓度40%的实验结果及其分析
• 8.4 本章小结
• 9 总结及展望
• 9.1 全文工作总结
• 9.2 主要创新点
• 9.3 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文及申请的专利
• 攻读博士学位期间参加的科研项目