旋转爆震波逆向压力传导特性研究

发布时间：2020-04-06 15:09

【摘要】：爆震燃烧具有燃烧速度快、热效率高等优点,且具有增压效果,可以减少传统涡轮发动机中压气机的级数,使发动机长度更短、结构更简单。又由于其可以在贫油状态下稳定工作,可以减少污染物的排放。但是,旋转爆震燃烧室应用于涡轮发动机上还存在一些技术上的难题。旋转爆震燃烧室中的爆震波会在上游产生斜激波,如果上游与压气机直接相连必然会影响压气机的稳定工作。因此,对旋转爆震波的逆向压力传导特性的研究对旋转爆震燃烧室的应用具有重要意义。首先,对旋转爆震燃烧室进行简化,采用开缝式弯管对爆震波的逆向压力传导特性进行了研究。发现爆震波上游的压力波动不是单纯的由于爆震波侧向膨胀引起的斜激波所导致,爆震波及其反射激波后高压区膨胀都会引起环缝内的压力震荡。激波在环缝内的反射、相交会导致压力峰值在第一道斜激波后压力的基础上进一步提高。且内侧开缝时环缝内高压区域范围更大。对不同半径及宽度的开缝弯管研究发现,增加旋转爆震燃烧室半径及减小通道宽度都会减小爆震波和反射激波与内外壁的夹角,从而减小反射激波强度,使上游环缝内的最高压力峰值减小。其次,对开缝平板的消波机理和在RDC中的应用效果进行了研究。发现开缝角度越大,缝内激波受到的膨胀作用效果越明显,构成透射激波的扇形激波面受到缝出口的膨胀作用也更大,透射激波强度越小。在规则反射的情况下,150°开缝的平板也可以使透射激波强度减小35%。入射激波强度增加后,板后的高马赫数膨胀区范围增加,透射激波强度减小,消波效果更强。对开缝平板几何构型对消波效果的影响进行了研究,增加平板厚度和减小开孔率都有助于减小透射激波强度,但是与改变开缝角度导致的透射激波强度变化幅度相比,在本文计算工况下透射激波强度变化较小。将消波效果较好的150°开缝平板置于旋转爆震燃烧室上游的集气腔内,对爆震波逆向压力传导特性进行了研究,发现开缝平板与激波作用的流场与简化的模型作用结果相近,斜激波经过消波平板以后压力波动幅度减小了76.2%。最后,对旋转爆震燃烧室各个参数的设计准则进行了总结。引入流量系数的概念,并对氧化剂和燃料的流量系数大小进行了计算,最后根据氧化剂、燃料集气腔的经验压比和流量系数得到两者喷注面积比的计算公式。为测量得到旋转爆震波上游斜激波的强度,根据斜激波理论设计了斜激波强度测量方案。对旋转爆震实验系统进行了详细的设计,包括供气系统、流量控制系统、点火系统、数据测量和采集系统,并已完成试验件的加工和试验台的搭建。
【图文】：

爆震,发动机,脉冲爆震

使用普通化学燃料作为能源的各类发动机，燃料的燃烧形式有爆燃和爆震两种。而目前几乎所有的航空、航天发动机都采用传统的爆燃形式，经过数百年的研究和优化，这些发动机的效率都已基本达到极限。传统的等压燃烧为理想的布雷顿循环（Brayton Cycles），而爆震的循环过程则为汉弗莱循环（Humphrey cycles），热后者具拥有更高的热效率。采用爆震燃烧形式的发动机主要有三种形式：脉冲爆震、斜爆震和旋转爆震。国内外针对脉冲爆震开展的相关研究较多，其结构相对简单，工作范围较宽，，比冲很高，目前无论国内还是国外都取得了一定的研究成果。但从研究结果发现，由于脉冲爆震是非连续地工作，需要多次重复地对其点火起爆，并且工作频率受到很大的限制，发动机平均推力不高，导致实际应用受阻。上世纪六十年代初，voitsekhovskii[1]就提出了旋转爆震的概念。Mikhailov[2]讨论了旋转爆震理论上的波系结构，但最终没能实现连续旋转爆震。一直到八十年代，Bykovskii[3][4][5]等才使用气态和液态的推进剂，实现了爆震波的连续旋转，并对此现象开展了实验研究。由于旋转爆震燃烧的诸多优点，可预见的应用方向有火箭发动机、冲压发动机燃烧室和旋转爆震涡轮喷气发动机燃烧室，如图 1.1 所示。

形式,爆震波,压力峰值,和频率

图 1. 2 不同的燃料喷注形式ijay Anand[11]对总的燃料喷注面积一定，改变越小，爆震波工作越稳定、传播速度和频率震燃烧室的影响爆震波压力峰值和频率来流压力、工作范围频率：国防科技大学的王超[14]通过改变外 4 所示。随着宽度增加频率减小，压力峰值
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V231.2

【参考文献】