旋转爆震波起爆过程及稳定传播特性研究

发布时间：2020-11-22 04:27

　　 旋转爆震发动机(RDE)是一种新型动力装置,具有能量释放速度快、热循环效率高、结构简单紧凑、工作频率高等优点,在未来推进领域具有广阔的应用前景,近年来受到世界各国的广泛关注。本文针对气相氢气/空气组合RDE,通过实验和数值模拟,对旋转爆震波的建立过程和传播模式展开研究。为揭示旋转爆震发动机的点火特性,设计了一套模块化发动机模型,建立了RDE实验和测量系统,测试了普通汽车火花塞、高能火花塞和预爆震管作为点火装置的可行性,采用高频压力测量和高速摄影拍摄分析了不同点火能量和方式下旋转爆震波的建立过程,并通过一系列点火实验获得了发动机的工作范围。结果表明:三种点火装置均能够成功起爆发动机,爆震波建立时间随点火能量的提高而降低;相同工况下,发动机的工作特性与点火装置无关;根据实验结果将发动机工作模式分为缓燃、不稳定爆震和连续爆震,不同工作模式会随实验工况的变化而相互转换,发动机的工作范围随燃料质量流率的提高而扩大。结合压力测量与高速摄影拍摄结果,开展了旋转爆震波传播过程的稳定性研究,建立了爆震波压力尖峰的快速捕捉方法,实验发现了爆震波强弱交替、解耦、转向三种爆震波非稳定传播模式,分析了不同非稳定传播模式的形成条件和变化过程,研究表明:旋转爆震波能否连续传播受燃烧室压力和喷注过程相互作用的影响,提高燃料与氧化剂的混合均匀性对爆震波的传播稳定性和发动机稳定工作边界具有积极作用。建立了燃烧室非预混喷注模型,采用高阶迎风通量分裂格式(AUSMPW+)和多步基元反应模型对非预混喷注结构下的旋转爆震发动机内流场进行了三维数值研究,分析了燃料与氧化剂的混合过程对爆震波传播特性的影响,分析了不同入流条件、燃烧室构型对流场结构、爆震波传播特性和发动机推进性能的影响规律。结果表明:燃烧室内爆震波压力向上游回传,对推进剂集气腔产生周期性影响;随着入口质量流率的提高,发动机推力呈线性增长,来流总温和旋转爆震波数量对发动机的推进性能影响较小,但双波模式能够改善出口流场分布的不均匀性;随着燃料喷注位置的前移,波前推进剂混合效果更好,爆震波强度和传播速度增大;燃烧室曲率的提高将导致爆震波发生变形,不利于旋转爆震波的自持传播。通过实验和数值模拟研究了收缩型喷管对RDE推进性能和爆震波传播模式的影响规律,分析了在来流质量流率和当量比发生改变的情况下,旋转爆震波传播模式的变化过程。研究发现收敛型喷管能够显著提升RDE的推进性能;加装喷管后,爆震波高度大幅降低,旋转爆震波在喷管收敛段形成一道反射激波,随着推进剂总流量的提高,实验发现了单波、单/双波混合、同向双波传播三种传播模式;喷管喉部宽度越小,对发动机推进性能的提升越大,爆震波由稳定单波传播模式产生双波的总流量临界值越低。
【学位单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V231.22
【部分图文】：

旋霞与意义??分动力装置都是通过燃烧将燃料的化学能转化成热的研究发展，要大幅提高基于等压燃烧模式发动机的统燃气涡轮发动机缓燃方式相比，爆篇燃烧由于具有等优点，近年来在航空航天推进领域内一直受到广泛动机（Ｒｏｔａｔｉｎｇ?Ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ?Ｅｎｇｉｎｅ，简称ＲＤＥ）是？种室内连续旋转传播，进而产生推力的新概念发动机，阁震发动机以爆震燃烧为主要燃烧方式，除了具有较高耗率ＳＦＣ外，由于燃烧产物在高温区域停留时间短，环境污染较小。??冷却腔、??

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本文编号：2894120