铝粉燃料PDE爆轰特性的理论与实验研究

发布时间：2020-09-02 13:43

　　铝粉是一种高能轻质的材料,其原材料丰富,常温下化学性能稳定,易于储存和运输,并且价格便宜。在相同当量比的条件下铝粉作为燃料比碳氢燃料释放出更多的能量,因此,目前铝粉作为炸药和推进剂的添加剂已被广泛使用。脉冲爆轰发动机(Pulse Detonation Engine,简称PDE)是一种高效的新型发动机。与燃烧相比,爆轰在能量的利用效率上更高,从而产生的推力更大。将铝粉与脉冲爆轰发动机的燃料相结合,可充分发挥两者优势,提升推进系统的性能。然而,铝粉爆轰与气相爆轰、液相爆轰在爆轰特性和影响因素等方面都存在着较大的差异。因此开展铝粉/空气爆轰特性以及铝粉燃料在脉冲爆轰发动机中应用的研究,对深入研究铝粉作为发动机燃料的可行性以及拓展脉冲爆轰发动机的应用领域具有重要的意义。本文尝试将铝粉作为脉冲爆轰发动机的燃料,通过数值计算和实验研究,揭示脉冲爆轰发动机中铝粉的爆轰特性,主要内容如下:(1)本文在考虑铝粉/空气燃烧转爆轰过程中化学反应以及组分变化等的基础上,分别建立了铝粉/空气管内爆轰的一维两相爆轰模型、轴对称两相爆轰模型、轴对称两相粘性爆轰模型以及三维两相爆轰模型。采用守恒元/求解元(CE/SE)方法对控制方程进行了离散,推导了相关雅克比矩阵,并编制了五个数值计算程序。数值研究了爆轰管内铝粉/空气两相爆轰过程,分析了压力、温度、气固两相的各向速度、铝粉粒径以及气相组份等基本参数在爆轰过程中的变化特性,比较了铝粉初始粒径、气相粘性和爆轰管点火位置等对爆轰过程的影响,揭示了气固两相爆轰波成因的机理。一维气固两相数值模拟结果表明:在一定条件下,铝粉/空气的混合物在管内可以形成稳定传播的爆轰波,铝粉/空气管内爆轰过程中气相速度和爆轰波压力沿轴向变化趋势一致。轴对称气固两相数值模拟结果表明:铝粉在管内燃烧转爆轰各个阶段,压力径向效应和轴向效应存在明显的差异。通过对爆轰管内气相压力和温度的综合分析,爆轰管内铝粉/空气的燃烧能够形成自持传播的爆轰波。随着铝粉的燃烧,燃烧产物A1203不断增加,燃烧过程产生的能量支撑管内温度达到一定的高度。轴对称气固两相粘性数值模拟结果表明:初始铝粉颗粒半径对爆轰形成与传播有一定的影响。气体的粘性作用使得爆轰波峰值速度更平稳,对近爆轰管内壁面处速度的影响较轴线处明显。三维气固两相数值模拟结果表明:采用壁面点火或中心点火两种方式均可以实现铝粉/空气混合物在管内的稳定爆轰。采用壁面点火方式时,在未形成稳定爆轰阶段,爆轰压力的三维效应都比较显著。采用中心点火方式时,在近封闭端的截面处出现温度波峰的时间更早,峰值更高;并且在波峰出现时,该截面上的温度差值较大。在实现稳定爆轰后,采用壁面点火方式时,压力峰值较高,但传播速度较慢。(2)在铝粉/空气二维两相爆轰研究的基础上,探索了爆轰波与铝粉/空气混合物的相互作用过程,研究了铝粉燃料PDE的瞬时推力、总冲等参数特征,以及铝粉粒径变化和铝粉空气配比等对推力的影响,揭示了铝粉燃料脉冲爆轰发动机的推力性能。数值模拟研究结果表明:爆轰管实际出口条件下,当爆轰波传出管外后,气相的压力下降了,但是仍能维持一定的速度。通过计算和图线的比较分析得出,虽然铝粉/空气化学反应产物的非气相性特点使得PDE的推力和总冲有所下降,但对PDE的推力性能影响不大。(3)搭建了铝粉燃料脉冲爆轰发动机实验平台,采用预爆轰点火起爆方式实现了铝粉燃料脉冲爆轰发动机短距离内的稳定爆轰。实验验证了铝粉作为脉冲爆轰发动机燃料的可行性。在不同工况下开展铝粉/空气管内爆轰实验,对其结果进行讨论。实验研究了铝粉燃料的爆轰的过程。实验研究结果表明:采用预爆轰的方式能够实现铝粉燃料在较短PDE管内爆轰,并且燃烧转爆轰现象明显。预爆轰能量只作为铝粉燃料PDE的起爆能量,对后续燃烧转爆轰过程没有影响。在铝粉燃料充满爆轰管的前提下,管内气体含氧量接近空气中含氧量时可以实现稳定的爆轰。本文应用CE/SE方法,数值模拟探索了爆轰波与铝粉/空气混合物的相互作用过程,研究了铝粉燃料脉冲爆轰发动机的推力性能,揭示了气固两相爆轰波的形成机理。搭建了铝粉燃料脉冲爆轰发动机实验平台,采用预爆轰点火起爆方式实现了铝粉燃料脉冲爆轰发动机短距离内的稳定爆轰,实验验证了铝粉作为脉冲爆轰发动机燃料的可行性。
【学位单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V231.2
【部分图文】：

脉冲爆轰发动机,氧化剂,管内,粉末燃料

固体燃料脉冲爆轰发动机是利用固体粉末燃料与氧化剂在爆轰管内的周期性间逡逑歇爆轰产生推力的Ｍｌ。本文取其中一个周期来进行研究，并且只考虑左端封闭，右端逡逑开口的直管ＰＤＥ的理想工作过程。初始状态管内充满空气，如图１．１邋（ａ）所示。整逡逑个爆轰过程分为五个部分：首先，固体粉末燃料与氧化剂充分混合后，从封闭端逐渐逡逑填充整个爆轰管，如图１．１邋（ｂ）；在爆轰管内完全填满固体粉末燃料与氧化剂的混合逡逑物后，封闭端点火，进而点燃燃料与氧化剂的混合物，如图１．１邋（ｃ）；点火后气固两逡逑相混合物燃烧，伴随剧烈的化学反应，管内实现燃烧转爆轰过程，爆轰波逐步产生增逡逑强直至稳定，并向着管口传播，如图１．］邋（ｄ）；在爆轰波完全传出管外后，两相混合逡逑物反应完毕，燃烧产物往管外排放，同时膨胀波传入爆轰管内，传向封闭端，见图逡逑１．１邋（ｅ）；最后，从封闭端充入新鲜空气，将废气完全排尽，新一轮的循环开始，见逡逑图邋１．１邋（ｆ）ｏ逡逑空气逡逑（ａ）初始状态爆轰

封闭端,铝粉,位置,爆轰波峰

逦１．２逡逑ｘ／ｍ逡逑图２．５不同时刻管内压力分布曲线逡逑图２．６管内不同位置处压力随时间变化的曲线展示了爆轰波从封闭端逐渐向开口逡逑端传播的过程。逡逑４邋＿逡逑逦邋ａ－邋５０ｍｍ逡逑１逦１００ｍｍ逡逑．ｖ＝邋２（Ｈ）ｍｎｉ逡逑３邋－逦ｊ逦ａ－邋３００ｍｍ逡逑．ｖ＝邋４００ｍｎｉ逡逑１邋：ｊ逦．ｖ＝邋６００ｍｎｉ逡逑ＫＪ逦Ｉ逦ａ－＝邋８（Ｈ）ｎｉｍ逡逑ＣＬ邋２－逦丨丨ｉ逦．ｖ＝丨媝ｍｍ逡逑１邋ｎ逡逑０．０逦０．５逦１．０逡逑ｒ／ｍｓ逡逑图２．６不同位置处的ｐ－／曲线逡逑在距离封闭端较近的５０ｍｍ和１００ｍｍ两处，由于铝粉的燃烧尚在初期，该两处逡逑的压力波峰分别仅有0．８６ＭＰａ和丨．１２ＭＰａ。随着铝粉／空气燃烧的加剧，能量不断释逡逑放，爆轰波压力峰值迅速上升。在距离封闭端２００ｍｍ处，爆轰波峰值压力己经达到逡逑２．７１ＭＰａ。到距离封闭端３００ｍｍ处时，爆轰波峰值压力可达到３．５４ＭＰａ，并在爆轰管逡逑１９逡逑

封闭端,爆轰波,压力,管内

ｘ／ｍ逡逑图２．５不同时刻管内压力分布曲线逡逑图２．６管内不同位置处压力随时间变化的曲线展示了爆轰波从封闭端逐渐向开口逡逑端传播的过程。逡逑４邋＿逡逑逦邋ａ－邋５０ｍｍ逡逑１逦１００ｍｍ逡逑．ｖ＝邋２（Ｈ）ｍｎｉ逡逑３邋－逦ｊ逦ａ－邋３００ｍｍ逡逑．ｖ＝邋４００ｍｎｉ逡逑１邋：ｊ逦．ｖ＝邋６００ｍｎｉ逡逑ＫＪ逦Ｉ逦ａ－＝邋８（Ｈ）ｎｉｍ逡逑ＣＬ邋２－逦丨丨ｉ逦．ｖ＝丨媝ｍｍ逡逑１邋ｎ逡逑０．０逦０．５逦１．０逡逑ｒ／ｍｓ逡逑图２．６不同位置处的ｐ－／曲线逡逑在距离封闭端较近的５０ｍｍ和１００ｍｍ两处，由于铝粉的燃烧尚在初期，该两处逡逑的压力波峰分别仅有0．８６ＭＰａ和丨．１２ＭＰａ。随着铝粉／空气燃烧的加剧，能量不断释逡逑放，爆轰波压力峰值迅速上升。在距离封闭端２００ｍｍ处，爆轰波峰值压力己经达到逡逑２．７１ＭＰａ。到距离封闭端３００ｍｍ处时，爆轰波峰值压力可达到３．５４ＭＰａ，并在爆轰管逡逑１９逡逑

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