鋁粉是一種高能輕質(zhì)的材料,其原材料豐富,常溫下化學(xué)性能穩(wěn)定,易于儲(chǔ)存和運(yùn)輸,并且價(jià)格便宜。在相同當(dāng)量比的條件下鋁粉作為燃料比碳?xì)淙剂厢尫懦龈嗟哪芰?因此,目前鋁粉作為炸藥和推進(jìn)劑的添加劑已被廣泛使用。脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)(Pulse Detonation Engine,簡稱PDE)是一種高效的新型發(fā)動(dòng)機(jī)。與燃燒相比,爆轟在能量的利用效率上更高,從而產(chǎn)生的推力更大。將鋁粉與脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料相結(jié)合,可充分發(fā)揮兩者優(yōu)勢,提升推進(jìn)系統(tǒng)的性能。然而,鋁粉爆轟與氣相爆轟、液相爆轟在爆轟特性和影響因素等方面都存在著較大的差異。因此開展鋁粉/空氣爆轟特性以及鋁粉燃料在脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用的研究,對深入研究鋁粉作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的可行性以及拓展脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的意義。本文嘗試將鋁粉作為脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料,通過數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究,揭示脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)中鋁粉的爆轟特性,主要內(nèi)容如下:(1)本文在考慮鋁粉/空氣燃燒轉(zhuǎn)爆轟過程中化學(xué)反應(yīng)以及組分變化等的基礎(chǔ)上,分別建立了鋁粉/空氣管內(nèi)爆轟的一維兩相爆轟模型、軸對稱兩相爆轟模型、軸對稱兩相粘性爆轟模型以及三維兩相爆轟模型。采用守恒元/求解元(CE/SE)方法對控制方程進(jìn)行了離散,推導(dǎo)了相關(guān)雅克比矩陣,并編制了五個(gè)數(shù)值計(jì)算程序。數(shù)值研究了爆轟管內(nèi)鋁粉/空氣兩相爆轟過程,分析了壓力、溫度、氣固兩相的各向速度、鋁粉粒徑以及氣相組份等基本參數(shù)在爆轟過程中的變化特性,比較了鋁粉初始粒徑、氣相粘性和爆轟管點(diǎn)火位置等對爆轟過程的影響,揭示了氣固兩相爆轟波成因的機(jī)理。一維氣固兩相數(shù)值模擬結(jié)果表明:在一定條件下,鋁粉/空氣的混合物在管內(nèi)可以形成穩(wěn)定傳播的爆轟波,鋁粉/空氣管內(nèi)爆轟過程中氣相速度和爆轟波壓力沿軸向變化趨勢一致。軸對稱氣固兩相數(shù)值模擬結(jié)果表明:鋁粉在管內(nèi)燃燒轉(zhuǎn)爆轟各個(gè)階段,壓力徑向效應(yīng)和軸向效應(yīng)存在明顯的差異。通過對爆轟管內(nèi)氣相壓力和溫度的綜合分析,爆轟管內(nèi)鋁粉/空氣的燃燒能夠形成自持傳播的爆轟波。隨著鋁粉的燃燒,燃燒產(chǎn)物A1203不斷增加,燃燒過程產(chǎn)生的能量支撐管內(nèi)溫度達(dá)到一定的高度。軸對稱氣固兩相粘性數(shù)值模擬結(jié)果表明:初始鋁粉顆粒半徑對爆轟形成與傳播有一定的影響。氣體的粘性作用使得爆轟波峰值速度更平穩(wěn),對近爆轟管內(nèi)壁面處速度的影響較軸線處明顯。三維氣固兩相數(shù)值模擬結(jié)果表明:采用壁面點(diǎn)火或中心點(diǎn)火兩種方式均可以實(shí)現(xiàn)鋁粉/空氣混合物在管內(nèi)的穩(wěn)定爆轟。采用壁面點(diǎn)火方式時(shí),在未形成穩(wěn)定爆轟階段,爆轟壓力的三維效應(yīng)都比較顯著。采用中心點(diǎn)火方式時(shí),在近封閉端的截面處出現(xiàn)溫度波峰的時(shí)間更早,峰值更高;并且在波峰出現(xiàn)時(shí),該截面上的溫度差值較大。在實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定爆轟后,采用壁面點(diǎn)火方式時(shí),壓力峰值較高,但傳播速度較慢。(2)在鋁粉/空氣二維兩相爆轟研究的基礎(chǔ)上,探索了爆轟波與鋁粉/空氣混合物的相互作用過程,研究了鋁粉燃料PDE的瞬時(shí)推力、總沖等參數(shù)特征,以及鋁粉粒徑變化和鋁粉空氣配比等對推力的影響,揭示了鋁粉燃料脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的推力性能。數(shù)值模擬研究結(jié)果表明:爆轟管實(shí)際出口條件下,當(dāng)爆轟波傳出管外后,氣相的壓力下降了,但是仍能維持一定的速度。通過計(jì)算和圖線的比較分析得出,雖然鋁粉/空氣化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物的非氣相性特點(diǎn)使得PDE的推力和總沖有所下降,但對PDE的推力性能影響不大。(3)搭建了鋁粉燃料脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),采用預(yù)爆轟點(diǎn)火起爆方式實(shí)現(xiàn)了鋁粉燃料脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)短距離內(nèi)的穩(wěn)定爆轟。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了鋁粉作為脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的可行性。在不同工況下開展鋁粉/空氣管內(nèi)爆轟實(shí)驗(yàn),對其結(jié)果進(jìn)行討論。實(shí)驗(yàn)研究了鋁粉燃料的爆轟的過程。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明:采用預(yù)爆轟的方式能夠?qū)崿F(xiàn)鋁粉燃料在較短PDE管內(nèi)爆轟,并且燃燒轉(zhuǎn)爆轟現(xiàn)象明顯。預(yù)爆轟能量只作為鋁粉燃料PDE的起爆能量,對后續(xù)燃燒轉(zhuǎn)爆轟過程沒有影響。在鋁粉燃料充滿爆轟管的前提下,管內(nèi)氣體含氧量接近空氣中含氧量時(shí)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的爆轟。本文應(yīng)用CE/SE方法,數(shù)值模擬探索了爆轟波與鋁粉/空氣混合物的相互作用過程,研究了鋁粉燃料脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的推力性能,揭示了氣固兩相爆轟波的形成機(jī)理。搭建了鋁粉燃料脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),采用預(yù)爆轟點(diǎn)火起爆方式實(shí)現(xiàn)了鋁粉燃料脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)短距離內(nèi)的穩(wěn)定爆轟,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了鋁粉作為脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的可行性。
【學(xué)位單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：V231.2
【部分圖文】：

固體燃料脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)是利用固體粉末燃料與氧化劑在爆轟管內(nèi)的周期性間逡逑歇爆轟產(chǎn)生推力的Ｍｌ。本文取其中一個(gè)周期來進(jìn)行研究，并且只考慮左端封閉，右端逡逑開口的直管ＰＤＥ的理想工作過程。初始狀態(tài)管內(nèi)充滿空氣，如圖１．１邋（ａ）所示。整逡逑個(gè)爆轟過程分為五個(gè)部分：首先，固體粉末燃料與氧化劑充分混合后，從封閉端逐漸逡逑填充整個(gè)爆轟管，如圖１．１邋（ｂ）；在爆轟管內(nèi)完全填滿固體粉末燃料與氧化劑的混合逡逑物后，封閉端點(diǎn)火，進(jìn)而點(diǎn)燃燃料與氧化劑的混合物，如圖１．１邋（ｃ）；點(diǎn)火后氣固兩逡逑相混合物燃燒，伴隨劇烈的化學(xué)反應(yīng)，管內(nèi)實(shí)現(xiàn)燃燒轉(zhuǎn)爆轟過程，爆轟波逐步產(chǎn)生增逡逑強(qiáng)直至穩(wěn)定，并向著管口傳播，如圖１．］邋（ｄ）；在爆轟波完全傳出管外后，兩相混合逡逑物反應(yīng)完畢，燃燒產(chǎn)物往管外排放，同時(shí)膨脹波傳入爆轟管內(nèi)，傳向封閉端，見圖逡逑１．１邋（ｅ）；最后，從封閉端充入新鮮空氣，將廢氣完全排盡，新一輪的循環(huán)開始，見逡逑圖邋１．１邋（ｆ）ｏ逡逑空氣逡逑（ａ）初始狀態(tài)爆轟

邐１．２逡逑ｘ／ｍ逡逑圖２．５不同時(shí)刻管內(nèi)壓力分布曲線逡逑圖２．６管內(nèi)不同位置處壓力隨時(shí)間變化的曲線展示了爆轟波從封閉端逐漸向開口逡逑端傳播的過程。逡逑４邋＿逡逑邐邋ａ－邋５０ｍｍ逡逑１邐１００ｍｍ逡逑．ｖ＝邋２（Ｈ）ｍｎｉ逡逑３邋－邐ｊ邐ａ－邋３００ｍｍ逡逑．ｖ＝邋４００ｍｎｉ逡逑１邋：ｊ邐．ｖ＝邋６００ｍｎｉ逡逑ＫＪ邐Ｉ邐ａ－＝邋８（Ｈ）ｎｉｍ逡逑ＣＬ邋２－邐丨丨ｉ邐．ｖ＝丨媝ｍｍ逡逑１邋ｎ逡逑０．０邐０．５邐１．０逡逑ｒ／ｍｓ逡逑圖２．６不同位置處的ｐ－／曲線逡逑在距離封閉端較近的５０ｍｍ和１００ｍｍ兩處，由于鋁粉的燃燒尚在初期，該兩處逡逑的壓力波峰分別僅有0．８６ＭＰａ和丨．１２ＭＰａ。隨著鋁粉／空氣燃燒的加劇，能量不斷釋逡逑放，爆轟波壓力峰值迅速上升。在距離封閉端２００ｍｍ處，爆轟波峰值壓力己經(jīng)達(dá)到逡逑２．７１ＭＰａ。到距離封閉端３００ｍｍ處時(shí)，爆轟波峰值壓力可達(dá)到３．５４ＭＰａ，并在爆轟管逡逑１９逡逑

ｘ／ｍ逡逑圖２．５不同時(shí)刻管內(nèi)壓力分布曲線逡逑圖２．６管內(nèi)不同位置處壓力隨時(shí)間變化的曲線展示了爆轟波從封閉端逐漸向開口逡逑端傳播的過程。逡逑４邋＿逡逑邐邋ａ－邋５０ｍｍ逡逑１邐１００ｍｍ逡逑．ｖ＝邋２（Ｈ）ｍｎｉ逡逑３邋－邐ｊ邐ａ－邋３００ｍｍ逡逑．ｖ＝邋４００ｍｎｉ逡逑１邋：ｊ邐．ｖ＝邋６００ｍｎｉ逡逑ＫＪ邐Ｉ邐ａ－＝邋８（Ｈ）ｎｉｍ逡逑ＣＬ邋２－邐丨丨ｉ邐．ｖ＝丨媝ｍｍ逡逑１邋ｎ逡逑０．０邐０．５邐１．０逡逑ｒ／ｍｓ逡逑圖２．６不同位置處的ｐ－／曲線逡逑在距離封閉端較近的５０ｍｍ和１００ｍｍ兩處，由于鋁粉的燃燒尚在初期，該兩處逡逑的壓力波峰分別僅有0．８６ＭＰａ和丨．１２ＭＰａ。隨著鋁粉／空氣燃燒的加劇，能量不斷釋逡逑放，爆轟波壓力峰值迅速上升。在距離封閉端２００ｍｍ處，爆轟波峰值壓力己經(jīng)達(dá)到逡逑２．７１ＭＰａ。到距離封閉端３００ｍｍ處時(shí)，爆轟波峰值壓力可達(dá)到３．５４ＭＰａ，并在爆轟管逡逑１９逡逑

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