热射流起爆及其在脉冲爆震发动机上应用的技术研究

发布时间：2017-11-04 17:33

  本文关键词：热射流起爆及其在脉冲爆震发动机上应用的技术研究

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【摘要】：强化缓燃向爆震转捩(Deflagration to detonation transition,DDT)过程对提高脉冲爆震发动机的工作性能至关重要。由于DDT过程受初始点火条件影响较大,采用合理的高能量点火能够加快火焰传播速度,实现爆震波快速起爆。本文以脉冲爆震发动机(Pulse detonation engine,PDE)工程应用为研究背景,以热射流起爆为主题,通过试验与数值方法,对热射流起爆相关机理以及采用热射流点火的多管PDE方案设计进行研究,主要工作内容与成果如下:利用单循环爆震试验系统,采用不同氮气稀释量的丙烷/空气混合物,开展了热射流对爆震起爆特性影响的试验研究。发现热射流孔径对爆震起爆的敏感性影响较小,临界氮气含量都在65%~68%之间。热射流发生器几何结构对DDT距离的影响较小,而DDT时间随热射流发生器长度的增加而减小。在爆震管内的火焰加速过程中,前导激波一直处于燃烧波前沿。在氮气稀释量高于临界值时激波速度一直高于燃烧波速度,在爆震波触发后激波与燃烧波速度基本相同。通过与传统火花塞的对比试验发现,采用热射流点火能够更早的形成前导激波,在爆震管头部形成较强的湍流火焰有利于爆震管内火焰加速,缩短DDT时间。结合单循环爆震试验的条件与结果,利用34步26组分的丙烷基元反应对热射流起爆的过程进行了二维数值模拟,结果表明:湍流在火焰加速阶段起着重要作用,在爆震波触发阶段激波与火焰相互作用占有主导地位,并与火焰加速形成一种相互促进的反馈机制。同时发现热射流发生器长度为150mm,射流孔径在8mm时DDT时间最短,热射流发生器几何结构对DDT距离的影响不大,通过计算得到热射流提供给爆震管内混气的点火能量约为9.96J,大约为火花塞点火能量的20倍。为了研究液体燃料的热射流发生器工作特性,以Y型喷嘴为基础,设计并改进了一种应用于热射流发生器头部的多单元内混式的气动雾化喷嘴,其中燃油采用高频电磁喷嘴进行主动控制,同时可以控制点火时刻与燃油供给时间的匹配,试验结果如下:在占空比为0.4时各频率下电磁喷嘴工作处于最佳状态。在热射流发生器填充比为1,供油时间为25ms的工况下,可以实现15Hz与20Hz的稳定工作,在20Hz工作频率下热射流发生器内火焰传播的平均速度与激波速度都随填充比的增加而增加。提前点火能够使热射流发生器火焰加速更迅速,热射流发生器后端的激波强度更高,而采用延迟点火则会造成热射流发生器工作不稳定。为了研究热射流起爆对多循环脉冲爆震特性的影响,在一台工作频率为20Hz的气动阀式PDE上开展了试验研究,重点分析了热射流发生器的位置与长度,热射流发生器中敏感性气体的填充比及余气系数对爆震管内初始火焰传播速度及压力特性的影响。研究结果表明:热射流点火的位置在爆震管头部回流区内,对爆震管内火焰传播速度影响较小,热射流点火位置在回流区外,随着离封闭距离的增加火焰传播速度减小。热射流发生器填充比从1.78增加到2.75,初始火焰平均速度从380m/s上升到420m/s左右,当填充比在2.75~3.45时,火焰传播速度基本保持不变。热射流发生器内余气系数增加,初始火焰传播速度随余气系数的增加而增加(从350m/s增加到446m/s)。热射流发生器长度对爆震管内初始火焰传播速度的影响较小。为了把热射流起爆集成到多管PDE上,设计了一种带中心值班燃烧室的六管扇环形脉冲爆震发动机原理样机,利用值班燃烧室形成的横向热射流交替进入爆震管提供热射流点火,并利用值班燃烧室通道的热壁面进行燃油蒸发。采用数值模的方法对PDE进行了流场分析并进行了初步的热态试验,主要结论如下:在工作频率不变的情况下随着进气压头的提高平均总压损失系数会相应增加,但平均流阻系数在18.8~21.5之间,可以认为爆震管内的冷态流动处于自模化状态。热态试验结果发现值班燃烧室的热射流点火能够成功点燃爆震管内混气,但由于燃油雾化质量及值班燃烧室稳定性的原因并没有产生爆震波。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V235.22

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