吸气式连续旋转爆震发动机工作特性研究

论文摘要

本文以吸气式连续旋转爆震为对象,结合数值模拟及实验研究,重点分析了爆震波的起爆过程、流场结构及传播特性,对比研究了试验工况、几何构型等因素对发动机性能的影响规律。对喷注面板情况下连续旋转爆震开展了三维数值研究,燃料在顶部喷注时,稳定传播后的连续旋转爆震波流场特征主要包括爆震波、斜激波、三角形可燃气体区、可燃气与上一轮燃烧产物的接触面,爆震波面可抵达燃烧室顶部,但受到喷注面板阻挡,只在下侧膨胀。当燃料在下游喷注时,基本流场特征与燃料在喷注面板喷注时相同,但高压爆震燃烧产物可沿轴向两侧膨胀,在两侧都形成了斜激波。通过燃料喷注位置可控制爆震燃烧放热区位置,但对流场结构特征和传播过程影响不大。对吸气式条件下连续旋转爆震波进行了三维数值模拟,分析了起爆过程,发现初始热射流不在反方向上引起爆震波时,起爆过程更简单,从点火到形成稳定传播的爆震波时间间隔更短;稳定传播后的爆震波头个数跟点火区个数无关,连续旋转爆震波在起爆过程中具有自调节能力。在超声速来流条件下,所形成的爆震波仍可持续旋转传播,但高压爆震燃烧产物会影响到进气过程,在来流加速段内引起了正激波。对比研究了来流总温、燃烧室半径、放热区位置的影响,发现来流总温较高时,加速段内的正激波位置更靠下游,平均出口压力更低、速度更高;燃烧室半径越小,连续旋转爆震波受曲率的影响程度较大,内、外壁面处的压力峰值差别越大;当爆震燃烧区域位于扩张段内时,燃烧室平均压力降低,加速段内的正激波位置更靠下游。在吸气式条件下试验实现了连续旋转爆震波稳定工作,传播频率达5kHz,平均传播速度为1600m/s。保持混合气当量比不变,爆震波传播速度随推进剂流量的增加略有上升,且传播过程的稳定性增大。通过三维数值模拟,对比研究了来流总温、燃烧室半径、反应区构型、来流加速段面积比和喷管面积比对发动机性能的影响。发现来流总温较大、放热区位于扩张段内、来流加速段面积比较小时,来流加速段内的正激波位置更靠下游,激波强度更大,引起的总压损失更大,发动机性能降低;燃烧室半径通过改变入口面积对流量和推力产生影响,但比冲性能变化不大;喷管面积比较大时,燃烧产物得到进一步膨胀加速,发动机性能有所提升。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 爆震理论的发展历程
• 1.1.2 爆震发动机类型发展现状
• 1.2 连续旋转爆震发动机研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 本文的主要研究工作
• 第二章 实验系统与数值方法介绍
• 2.1 吸气式连续旋转爆震试验台
• 2.1.1 连续旋转爆试验系统
• 2.1.2 发动机及起爆系统
• 2.1.3 测控系统
• 2.1.4 测量手段
• 2.1.4.1 流量及普通压力测量
• 2.1.4.2 高频压力测量
• 2.2 化学非平衡流数值模拟方法
• 2.2.1 控制方程及解耦方法
• 2.2.2 化学动力学模型及处理方法
• 2.2.3 数值离散格式
• 2.2.4 边界条件处理
• 2.2.5 流场计算并行处理方法
• 2.2.6 算例验证
• 2.3 小结
• 第三章 喷注面板情况下连续旋转爆震波结构及传播过程
• 3.1 数值模拟对象介绍
• 3.1.1 计算模型介绍
• 3.1.2 入口边界条件设置
• 3.2 燃料在顶部喷注时的流场结构及传播特性
• 3.2.1 起爆过程分析
• 3.2.2 流场结构及传播特性
• 3.3 燃料在下游喷注时的流场结构及传播特性
• 3.3.1 起爆过程分析
• 3.3.2 流场传播特性研究
• 3.3.3 下游喷注位置的影响
• 3.4 小结
• 第四章 吸气式条件下连续旋转爆震波结构及其传播过程
• 4.1 起爆过程分析
• 4.1.1 爆震波起爆过程研究
• 4.1.2 一些因素对起爆过程影响研究
• 4.1.2.1 点火区高度的影响
• 4.1.2.2 点火区个数的影响
• 4.2 流场结构及传播过程分析
• 4.3 一些因素对吸气式连续旋转爆震波传播过程影响研究
• 4.3.1 来流总温的影响
• 4.3.2 燃烧室半径的影响
• 4.3.3 反应区构型的影响
• 4.4 小结
• 第五章 吸气式连续旋转爆震试验及性能分析
• 5.1 吸气式连续旋转爆震试验
• 5.1.1 试验过程介绍
• 5.1.2 工作过程分析
• 5.1.3 爆震波传播模态与传播特性
• 5.1.4 推进剂流量的影响
• 5.2 吸气式连续旋转爆震性能研究
• 5.2.1 性能参数的定义
• 5.2.2 来流总温的影响
• 5.2.3 燃烧室半径的影响
• 5.2.4 反应区构型的影响
• 5.2.5 来流加速段面积比对性能的影响
• 5.2.6 喷管面积比对性能的影响
• 5.3 小结
• 结束语
• 取得的主要研究成果
• 论文主要创新点
• 未来工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果