本文關(guān)鍵詞：熱射流起爆及其在脈沖爆震發(fā)動機(jī)上應(yīng)用的技術(shù)研究

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【摘要】：強(qiáng)化緩燃向爆震轉(zhuǎn)捩(Deflagration to detonation transition,DDT)過程對提高脈沖爆震發(fā)動機(jī)的工作性能至關(guān)重要。由于DDT過程受初始點火條件影響較大,采用合理的高能量點火能夠加快火焰?zhèn)鞑ニ俣?實現(xiàn)爆震波快速起爆。本文以脈沖爆震發(fā)動機(jī)(Pulse detonation engine,PDE)工程應(yīng)用為研究背景,以熱射流起爆為主題,通過試驗與數(shù)值方法,對熱射流起爆相關(guān)機(jī)理以及采用熱射流點火的多管PDE方案設(shè)計進(jìn)行研究,主要工作內(nèi)容與成果如下:利用單循環(huán)爆震試驗系統(tǒng),采用不同氮氣稀釋量的丙烷/空氣混合物,開展了熱射流對爆震起爆特性影響的試驗研究。發(fā)現(xiàn)熱射流孔徑對爆震起爆的敏感性影響較小,臨界氮氣含量都在65%~68%之間。熱射流發(fā)生器幾何結(jié)構(gòu)對DDT距離的影響較小,而DDT時間隨熱射流發(fā)生器長度的增加而減小。在爆震管內(nèi)的火焰加速過程中,前導(dǎo)激波一直處于燃燒波前沿。在氮氣稀釋量高于臨界值時激波速度一直高于燃燒波速度,在爆震波觸發(fā)后激波與燃燒波速度基本相同。通過與傳統(tǒng)火花塞的對比試驗發(fā)現(xiàn),采用熱射流點火能夠更早的形成前導(dǎo)激波,在爆震管頭部形成較強(qiáng)的湍流火焰有利于爆震管內(nèi)火焰加速,縮短DDT時間。結(jié)合單循環(huán)爆震試驗的條件與結(jié)果,利用34步26組分的丙烷基元反應(yīng)對熱射流起爆的過程進(jìn)行了二維數(shù)值模擬,結(jié)果表明:湍流在火焰加速階段起著重要作用,在爆震波觸發(fā)階段激波與火焰相互作用占有主導(dǎo)地位,并與火焰加速形成一種相互促進(jìn)的反饋機(jī)制。同時發(fā)現(xiàn)熱射流發(fā)生器長度為150mm,射流孔徑在8mm時DDT時間最短,熱射流發(fā)生器幾何結(jié)構(gòu)對DDT距離的影響不大,通過計算得到熱射流提供給爆震管內(nèi)混氣的點火能量約為9.96J,大約為火花塞點火能量的20倍。為了研究液體燃料的熱射流發(fā)生器工作特性,以Y型噴嘴為基礎(chǔ),設(shè)計并改進(jìn)了一種應(yīng)用于熱射流發(fā)生器頭部的多單元內(nèi)混式的氣動霧化噴嘴,其中燃油采用高頻電磁噴嘴進(jìn)行主動控制,同時可以控制點火時刻與燃油供給時間的匹配,試驗結(jié)果如下:在占空比為0.4時各頻率下電磁噴嘴工作處于最佳狀態(tài)。在熱射流發(fā)生器填充比為1,供油時間為25ms的工況下,可以實現(xiàn)15Hz與20Hz的穩(wěn)定工作,在20Hz工作頻率下熱射流發(fā)生器內(nèi)火焰?zhèn)鞑サ钠骄俣扰c激波速度都隨填充比的增加而增加。提前點火能夠使熱射流發(fā)生器火焰加速更迅速,熱射流發(fā)生器后端的激波強(qiáng)度更高,而采用延遲點火則會造成熱射流發(fā)生器工作不穩(wěn)定。為了研究熱射流起爆對多循環(huán)脈沖爆震特性的影響,在一臺工作頻率為20Hz的氣動閥式PDE上開展了試驗研究,重點分析了熱射流發(fā)生器的位置與長度,熱射流發(fā)生器中敏感性氣體的填充比及余氣系數(shù)對爆震管內(nèi)初始火焰?zhèn)鞑ニ俣燃皦毫μ匦缘挠绊�。研究結(jié)果表明:熱射流點火的位置在爆震管頭部回流區(qū)內(nèi),對爆震管內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊戄^小,熱射流點火位置在回流區(qū)外,隨著離封閉距離的增加火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p小。熱射流發(fā)生器填充比從1.78增加到2.75,初始火焰平均速度從380m/s上升到420m/s左右,當(dāng)填充比在2.75~3.45時,火焰?zhèn)鞑ニ俣然颈３植蛔�。熱射流發(fā)生器內(nèi)余氣系數(shù)增加,初始火焰?zhèn)鞑ニ俣入S余氣系數(shù)的增加而增加(從350m/s增加到446m/s)。熱射流發(fā)生器長度對爆震管內(nèi)初始火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊戄^小。為了把熱射流起爆集成到多管PDE上,設(shè)計了一種帶中心值班燃燒室的六管扇環(huán)形脈沖爆震發(fā)動機(jī)原理樣機(jī),利用值班燃燒室形成的橫向熱射流交替進(jìn)入爆震管提供熱射流點火,并利用值班燃燒室通道的熱壁面進(jìn)行燃油蒸發(fā)。采用數(shù)值模的方法對PDE進(jìn)行了流場分析并進(jìn)行了初步的熱態(tài)試驗,主要結(jié)論如下:在工作頻率不變的情況下隨著進(jìn)氣壓頭的提高平均總壓損失系數(shù)會相應(yīng)增加,但平均流阻系數(shù)在18.8~21.5之間,可以認(rèn)為爆震管內(nèi)的冷態(tài)流動處于自�；癄顟B(tài)。熱態(tài)試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)值班燃燒室的熱射流點火能夠成功點燃爆震管內(nèi)混氣,但由于燃油霧化質(zhì)量及值班燃燒室穩(wěn)定性的原因并沒有產(chǎn)生爆震波。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V235.22

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本文編號：1140460