噴管對氣液兩相脈沖爆轟發(fā)動機非定常流場特性影響的研究.pdf

1、脈沖爆轟發(fā)動機（Pulse Detonation Engine，簡稱PDE）是一種利用脈沖式爆轟波產(chǎn)生周期性沖量的新概念推進系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有燃燒效率高、結(jié)構簡單、推重比高、工作范圍廣等優(yōu)點。噴管作為提高發(fā)動機推進性能的一種手段，被廣泛用于定常工作的發(fā)動機。然而，由于脈沖爆轟發(fā)動機工作過程中存在復雜波系以及其非定常工作特性，基于定常工作模式的發(fā)動機噴管的設計理論和概念不再完全適用。因此，研究脈沖爆轟發(fā)動機噴管的工作特性及其推力增益，對促進

2、脈沖爆轟發(fā)動機工程應用具有重要意義。論文針對汽油/空氣火箭式脈沖爆轟發(fā)動機（Pluse Detonation Rocket Engine，簡稱PDRE）的噴管開展數(shù)值與實驗研究，研究工作主要內(nèi)容為:
　　(1)建立了帶錐形擴張噴管汽油/空氣PDRE內(nèi)外流場計算模型，構建了適合于錐形邊界的帶源項結(jié)構化三角形網(wǎng)格CE/SE方法，并運用該方法數(shù)值研究了噴管內(nèi)不同填充工況對汽油/空氣PDRE內(nèi)外流場和推進性能的影響。研究結(jié)果表明:結(jié)構化三

3、角形網(wǎng)格CE/SE方法可以高效捕捉直管和擴張管中的爆轟波等強間斷和內(nèi)外流場細節(jié)。噴管內(nèi)燃料填充率對PDRE的排氣時間影響不大。當擴張噴管內(nèi)燃料填充率小于某臨界值時，填充率越大填充位置后的激波壓力峰值隨位置的增加下降速度越快;當噴管內(nèi)填充率大于等于臨界值時，前導激波傳至噴管出口時壓力峰值相差很大，此填充工況下燃料對發(fā)動機推進性能起主導作用，發(fā)動機沖量隨填充率增加而增大，且在滿填充工況下達到最大。
　　(2)在Chang提出的CE/S

4、E方法思想的基礎上，構建了適合于汽油/空氣脈沖爆轟發(fā)動機兩相流場的帶源項非結(jié)構三角形網(wǎng)格CE/SE方法，應用該方法數(shù)值研究了多種結(jié)構噴管對汽油/空氣PDRE爆轟和排氣流場和該階段發(fā)動機推進性能的影響。研究結(jié)果表明:帶源項非結(jié)構三角形網(wǎng)格CE/SE方法可以清晰刻畫復雜管中的爆轟波、激波等細節(jié)，以及膨脹波、渦系結(jié)構等內(nèi)外流場細節(jié)。爆轟波傳過塞式收斂擴張噴管喉部后，拐點處出現(xiàn)低壓高速環(huán)區(qū)。擴張噴管和拉伐爾噴管排氣后期管口和噴管內(nèi)出現(xiàn)激波等過膨

5、脹現(xiàn)象。直噴管、擴張噴管、收斂噴管、拉伐爾噴管和塞式收斂擴張噴管中，含收斂段的噴管排氣時間增長。當環(huán)境壓力為0.1MPa、填充率為1時，在爆轟和排氣進程中除擴張噴管外其它噴管均增加了發(fā)動機沖量。
　　(3)建立了帶噴管汽油/空氣兩相PDRE多循環(huán)內(nèi)外流場計算模型，研究了多循環(huán)模式下擴張噴管、收斂噴管、拉伐爾噴管以及塞式收斂擴張噴管的流動機理和增推機理。研究結(jié)果表明:在多循環(huán)模式下，PDRE外流場中前導激波以葫蘆型向下游發(fā)展傳播。除

6、塞式收斂擴張噴管外，其它噴管至填充完成時管內(nèi)和管口附近燃料液滴容易集中在中心軸附近，噴管內(nèi)燃料所能到達的徑向分布不易超過噴管入口或者喉部直徑相當?shù)膹较蚱矫?塞式收斂擴張噴管燃料液滴則主要沿該噴管的直管壁面內(nèi)側(cè)分布，塞型結(jié)構下游分布較少。當填充率為1、環(huán)境壓力為0.1MPa時，多循環(huán)模式下各噴管對汽油/空氣PDRE的推力增益表現(xiàn)為:與無噴管工況相比，除擴張噴管外其它噴管均取得了正的推力增益，其中拉伐爾噴管的沖量最大，塞式收斂擴張噴管其次。

7、
　　(4)搭建了汽油/空氣火箭式脈沖爆轟發(fā)動機實驗平臺，根據(jù)數(shù)值研究結(jié)果設計加工了五類噴管，實驗研究了噴管形狀及尺寸對汽油/空氣PDRE的爆轟特性、推力壁壓力和推進性能的影響。研究結(jié)果表明:滿填充工況各類噴管內(nèi)的變截面爆轟特性不同，收斂噴管內(nèi)壁面壓力峰值大于爆轟管壓力峰值;其它帶擴張段的噴管則相反，且擴張角度越大，噴管內(nèi)壁面壓力峰值越小，當角度大于一定值時壓力峰值趨于穩(wěn)定。各噴管中拉伐爾噴管的排氣時間最長，塞式收斂擴張噴管在排氣

8、中加速減壓時間最長。在填充率為1、環(huán)境壓力為0.1MPa、頻率為10Hz工況下實驗得到了五類噴管的推力增益，且與數(shù)值研究結(jié)果一致。實驗中拉伐爾噴管的出口面積增加則PDRE推力增益增大，但收斂段與擴張段長度比對發(fā)動機推力增益的影響較小。
　　(5)建立了氣動型射流控制動邊界噴管（簡稱射流噴管）計算模型，數(shù)值研究了多循環(huán)模式下帶該噴管的汽油/空氣脈沖爆轟發(fā)動機的內(nèi)外流場特性，分析了噴管型面、喉部面積等尺寸參數(shù)和二次引流總壓、位置、角度

9、等射流參數(shù)對噴管的實際膨脹比和發(fā)動機的推力系數(shù)的影響。研究結(jié)果表明:射流噴管在爆轟、排氣初期可以實現(xiàn)滿流工作，而在排氣后期、隔離和填充進程中通過射流對斜激波等過膨脹現(xiàn)象進行調(diào)節(jié)，改善了主流的實際膨脹比，提高了發(fā)動機的推力系數(shù)。射流噴管的外壁采用鐘形型面有利于控制主流外側(cè)界面形狀;采用錐形型面有利于控制主流實際膨脹比和提高發(fā)動機推力系數(shù)。當射流噴管的喉部面積采用比最大臨界喉部面積小15％的值時，發(fā)動機可獲得最佳主流控制效果。射流總壓對射流

10、噴管中超音速主流外側(cè)界面和主流實際膨脹比影響不大，但會加劇噴管中實際喉部位置的后移現(xiàn)象。射流位置應當布置在噴管入口總壓剛好膨脹的截面之前，過于靠后會降低主流膨脹效果。采用90°射流入射角度有利于控制主流外側(cè)界面和主流實際膨脹比，提高發(fā)動機推力系數(shù)。
　　本文系統(tǒng)地研究了噴管對汽油/空氣兩相脈沖爆轟發(fā)動機非定常流場及性能的影響，提出了適用于該兩相PDRE的氣動型射流控制動邊界噴管，數(shù)值與實驗研究了擴張噴管、收斂噴管、拉伐爾噴管、塞式