预混火焰的稳定性及其在脉冲爆轰发动机中的应用

论文摘要

脉冲爆轰发动机是当前研究的热点,有效点火是其关键技术之一。由于直接起爆需要的能量特别大,因此利用小的点火能量,在较短的距离内形成稳定爆轰,即DDT,更具有应用前景。本文对共振腔内的聚心燃烧形成爆轰的现象进行了实验和数值研究。鉴于该现象比较复杂,涉及到激波与火焰的作用和射流火焰对撞两个基本的物理现象,因而本文先对这两个基本现象进行了实验和数值研究。在具有平面反射壁和抛物型反射壁的两种燃烧室内,利用高速分幅阴影摄像系统记录了激波与火焰作用过程的流场变化。数值计算基于详细基元化学反应的二维轴对称的Navier—Stokes方程,采用考虑横波修正的有限体积方法。结果表明:无论是平面反射壁还是抛物型反射壁,球型火焰在入射激波作用下,轴心附近被未燃气体穿透,形成筒状火焰,其内外侧皆为未燃气体。而反射激波的作用使火焰局部区域的涡量方向发生改变,形成了将新鲜未燃气体卷入火焰内部的头部涡环,这使得火焰燃烧速率和径向传播速度急剧增加,从而使火焰成为蘑菇云状。火焰内的高温低密区域使入射激波分叉成λ波,当反射激波穿越火焰时,产生的斜激波在轴线和火焰阵面上反复反射,形成复杂的激波列。与平面反射激波相比,聚焦反射激波与火焰作用的初始阶段,反射形成的横波将火焰向轴心压缩,最终形成的蘑菇云的体积较大。对射流火焰对撞的实验和计算结果分析,可知,在射流火焰进入燃烧室时,由于Helmhotz不稳定的作用,逐渐发展成带有涡环的蘑菇云。对流传热在火焰随后的传播过程中,占据了主导地位。当射流火焰在轴线碰撞后,背景流场的作用使得形成的火焰杆直径变化很小,而在碰撞平面上形成的火焰盘的厚度逐渐变薄。结合前面两种现象的讨论结果,并采用先两端敞开,再将一端封闭,随后通过改变封闭端形状的方式,从数值计算的角度逐步深入的探讨了聚心燃烧诱导爆轰的机理。计算结果表明,聚心火焰诱导的激波在轴线、壁面和反射端面来回反射的过程中,频繁穿越火焰,使其持续失稳,最终实现爆轰。最后,根据此原理,成功设计和制作了爆轰发生器,实现了低能量点火、管内无障碍物和短距离内形成爆轰的目的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1. 绪论
• 1.1 课题背景和意义
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 实验研究
• 1.2.2 数值研究
• 1.3 本文的主要工作和研究内容
• 2. 数值方法
• 2.1 引言
• 2.2 数学模型
• 2.2.1 控制方程
• 2.2.2 方程的无量纲化
• 2.2.3 混合气体的热力学关系式
• 2.2.4 化学反应模型
• 2.3 计算方法
• 2.3.1 正交网格的波传播算法
• 2.3.1.1 有限体积法
• 2.3.1.2 一维问题差分格式
• 2.3.1.3 二维问题差分格式
• 2.3.2 非正交网格的波传播算法
• 2.3.3 二维多组分反应流的波传播算法
• 2.3.4 压力偏导数的推导及处理
• 2.3.5 有限速率化学反应源项的积分
• 2.3.6 温度的迭代求解
• 2.3.7 时间步长的计算
• 2.4 计算阴影
• 2.5 本章小节
• 3. 实验系统
• 3.1 引言
• 3.2 实验系统
• 3.2.1 实验装置
• 3.2.2 测量系统
• 3.2.3 点火系统
• 3.2.4 测量控制系统
• 3.2.5 充配气系统
• 3.3 实验准备工作
• 3.3.1 实验装置的密封性检测
• 3.3.2 预混气的配比
• 3.3.3 测量、点火以及控制系统的调试
• 3.4 本章小结
• 4. 激波与火焰相互作用的实验和数值研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验研究
• 4.2.1 实验系统
• 4.2.2 实验结果与分析
• 4.3 数值研究
• 4.4 结果讨论
• 4.4.1 计算阴影图
• 4.4.2 入射激波与火焰的作用
• 4.4.3 平面反射激波与火焰的作用
• 4.4.4 聚焦激波与火焰的作用
• 4.4.5 平面反射与聚焦反射的比较
• 4.5 本章小节
• 5. 聚心燃烧及其与诱导激波的相互作用
• 5.1 引言
• 5.2 射流火焰对撞
• 5.2.1 射流火焰对撞的实验研究
• 5.2.2 射流火焰对撞的数值研究
• 5.3 敞开系统，聚心火焰及其与诱导激波的相互作用
• 5.3.1 敞开系统中的聚心激波
• 5.3.2 敞开系统中的聚心火焰
• 5.4 左端平板封闭右端敞开系统中的聚心火焰
• 5.5 左端抛物型封闭壁面右端敞开系统中的聚心火焰
• 5.6 用于脉冲爆轰发动机的爆轰发生器的设计和制作
• 5.7 本章小节
• 6 结论和展望
• 6.1 本文的主要结论和创新之处
• 6.1.1 本文的主要结论
• 6.1.2 本文的创新之处
• 6.2 问题和展望
• 致谢
• 参考文献
• 博士期间发表的论文