连续旋转爆震波传播机理、工作特性及其在推进中的应用研究

目录

摘要 (i)

Abstract (iii)

第一章绪论 (1)

1.1 研究背景与意义 (1)

1.2 静止气中爆震传播机理研究进展 (3)

1.2.1 爆震波结构的认知历程 (4)

1.2.2 爆震极限条件下的传播机理研究进展 (7)

1.2.3 受扰爆震起爆机理研究进展 (10)

1.3 旋转爆震研究进展 (12)

1.3.1 起爆自持问题 (12)

1.3.2 连续旋转爆震波模态及传播稳定性 (15)

1.3.3 连续旋转爆震应用研究进展综述 (21)

1.4 研究现状分析 (24)

1.5 论文主要研究内容 (25)

第二章实验系统及数值方法 (27)

2.1 实验系统介绍 (27)

2.1.1 静止气爆震实验系统 (27)

2.1.2 连续旋转爆震实验系统 (30)

2.2 数值模拟方法 (36)

2.2.1 控制方程及非平衡流解耦方法 (36)

2.2.2 化学动力学模型与处理方法 (38)

2.2.3 数值离散格式及边界条件处理 (39)

2.3 数值模拟方法验证 (39)

2.3.1 一维不稳定爆震分析 (39)

2.3.2 静止气爆震传播分析 (41)

2.4 小结 (42)

第三章爆震近极限传播行为与受扰传播特性 (43)

3.1 光滑管中爆震近极限传播特性 (43)

3.1.1 传播速度分析 (43)

3.1.2 胞格演变分析 (46)

3.1.3 爆震极限的验证 (50)

3.1.4 爆震极限的讨论 (51)

3.2 受扰作用下爆震起爆及传播机理 (54)

3.2.1 爆震波撞击多孔板的物理模型描述 (55)

3.2.2 多孔板后起爆问题 (56)

3.2.3 受扰作用下爆震自适应调整 (67)

3.3 小结 (70)

第四章连续旋转爆震波模态特征及形成机制 (72)

4.1 同向爆震模式分析 (72)

4.1.1 单波模态 (72)

4.1.2 混合模态 (81)

4.1.3 双波（多波）模态 (83)

4.2 双波对撞模式分析 (86)

4.2.1 不稳定双波对撞 (87)

4.2.2 稳定双波对撞 (91)

4.3 低速爆震模式分析 (94)

4.3.1 稳定低速爆震 (94)

4.3.2 不稳定低速爆震 (96)

4.3.3 低速爆震模式形成机制 (97)

4.4 旋转爆震流场稳定性分析 (97)

4.4.1 爆震燃烧对喷注腔的影响 (97)

4.4.2 不稳定爆震传播特征 (99)

4.5 小结 (104)

第五章燃烧室流道对旋转爆震传播特性及发动机推力性能的影响 (106)

5.1 流道长度对旋转爆震传播特性及推力性能的影响 (106)

5.1.1 流道长度对旋转爆震传播特性及结构的影响 (106)

5.1.2 流道长度对推力性能的影响 (110)

5.2 流道厚度对旋转爆震结构特性的影响 (113)

5.2.1 流道厚度对旋转爆震传播特性及结构的影响 (114)

5.2.2 燃烧室厚度对推力性能的影响 (122)

5.3 空桶内的旋转爆震传播特性 (123)

5.3.1 CH4/O2连续旋转爆震 (123)

5.3.2 H2/air连续旋转爆震 (128)

5.4 流道曲率对旋转爆震结构特性的影响 (130)

5.4.1 流道曲率对旋转爆震传播特性及结构的影响 (131)

5.5 轴向流道收缩对旋转爆震传播特性的影响 (137)

5.5.1 轴向流道收缩对旋转爆震传播特性及结构的影响 (137)

5.5.2 轴向流道收缩对推力性能的影响 (142)

5.6 小结 (143)

第六章连续旋转爆震推力性能研究 (145)

6.1 不同模态下的推力特征分析 (145)

6.1.1 不同爆震模态下的推力测量 (145)

6.1.2 推力稳定性分析 (152)

6.2 工况参数对旋转爆震特性及发动机工作性能的影响 (157)

6.2.1 流量的影响分析 (157)

6.2.2 当量比的影响分析 (161)

6.2.3 喷注压降的影响分析 (163)

6.3 连续旋转爆震发动机推力矢量调节技术分析 (168)

6.3.1 单波矢量调节过程分析 (169)

6.3.2 波头个数对于矢量调节流场的影响 (175)

6.3.3 矢量调节特性的应用 (178)

6.4 火箭基连续旋转爆震发动机应用探索 (183)

6.4.1 H2/O2连续旋转爆震分析 (183)

6.4.2 CH4/O2连续旋转爆震分析 (187)

6.5 小结 (192)

第七章结论与展望 (194)

取得的主要研究成果 (194)

论文主要创新点 (198)

未来工作展望 (199)

致谢 (200)

参考文献 (202)

作者在学期间取得的学术成果 (219)

表目录

表1. 1 不同碳氢燃料RDE理想爆震循环的比冲[243] (21)

表2. 1 PCB高频压力传感器参数 (35)

表2. 2 总包反应模型结果与理论值对比 (41)

表3. 1 爆震近极限传播时衰减情况统计 (46)

表3. 2 多孔板参数汇总 (56)

表4. 1 第四章工况条件 (73)

表5. 1 不同燃烧室流道长度下爆震流场参数 (106)

表5. 2 不同流道厚度下爆震流场参数统计 (116)

表5. 3 空桶旋转爆震测试条件 (124)

表5. 4 不同燃烧室直径下爆震流场参数 (131)

表5. 5 轴向流道收缩条件下爆震流场参数统计 (142)

表6. 1 第六章所用工况条件 (146)

表6. 2 不同来流速度下的算例统计 (168)

表6. 3 矢量调节算例统计 (170)

表6. 4 H2/O2连续旋转爆震测试条件 (183)

表6. 5 CH4/O2连续旋转爆震测试条件 (187)

图目录

图1. 1 用于RDE研究的旋转爆震波燃烧室及旋转爆震波示意图 (2)

图1. 2 ZND模型示意图 (4)

图1. 3 爆震的三维结构及三波点传播机制 (5)

图1. 4 窄通道内的纹影图、OH基PLIF图以及过曝光的纹影与荧光图[80] (6)

图1. 5 “稳定”和“不稳定”混合气中的典型胞格记录 (7)

图1. 6 极限情况下的传播模式：螺旋爆震烟膜与驰振爆震速度记录 (9)

图1. 7 多孔板下游湍流反应锋面的纹影图[144] (12)

图1. 9 Bykovskii拍摄的旋转爆震波 (15)

图1. 10 连续旋转爆震可见光试验观测 (16)

图1. 11 连续旋转爆震试验[239]：燃烧室面积扩张爆震燃烧室，收缩—扩张型喷管 (19)

图1. 12 带不同的尾喷管构型的连续旋转爆震[240] (19)

图1. 13 Pratt & Whitney关于RDE喷管尾锥不同方案的测试[244] (19)

图1. 14 二维连续爆震传播试验示意图[209] (20)

图1. 15 旋转爆震火箭发动机及旋转爆震燃烧室照片 (23)

图1. 16 华沙科技大学宇航中心测试的用于驱动GTD-350涡轮的全尺寸旋转爆震燃烧室 (24)

图2. 1 用于近极限爆震与爆震受扰传播研究的爆震实验系统示意图 (28)

图2. 3 交错多孔板示意 (29)

图2. 4 离子探针采样信号模板 (29)

图2. 5 旋转爆震实验系统示意图 (30)

图2. 6 模型发动机半剖示意图 (31)

图2. 7 连续旋转爆震模型发动机实物图 (31)

图2. 8 旋转爆震模型发动机部分可更换部件 (32)

图2. 9 切向射流起爆方式 (32)

图2. 10 固定在推力测量系统上的旋转爆震模型发动机 (33)

图2. 11 PCB高频推力传感器 (33)

图2. 12 高频压力采集系统 (35)

图2. 13 测量方法介绍 (36)

图2. 14 一维爆震波峰值压力的变化过程[271-272] (40)

图2. 15 一维不稳定爆震模拟 (41)

图2. 16 爆震波稳定传播时的压力历程 (41)

222

图3. 2 不同混合气中不同压力下的反应区速度趋势 (45)

图3. 3 “稳定”混合气C2H2 + 2.5O2 + 70%Ar 近极限传播时爆震管中部和末端的烟膜记录 (48)

图3. 4 “不稳定”混合气C2H2 + 5N2O 近极限传播时位于爆震管中部和末端的烟膜记录 (49)

图3. 5 多孔板下游的反应区速度趋势 (50)

图3. 6 最小管径与初始压力的关系 (52)

图3. 7 近极限时平均速度与初始压力的关系 (53)

图3. 8 速度亏损及波动与初始压力的关系 (54)

图 3. 9 下游无反应混合气和带反应混合气中入射爆震波撞击多孔板后的一维反射和透射机理 (55)

图3. 10 “稳定”混合气C2H2 + 2.5O2 + 70%Ar条件下多孔板A、B和C下游的反应区轨迹和速度趋势 (58)

图3. 11 “不稳定”混合气C2H2 + 5N2O条件下多孔板A下游的反应区轨迹和速度趋势 (60)

图3. 12 “稳定”混合气C2H2 + 2.5O2 + 70%Ar中爆震波穿透多孔板A前、后的烟膜记录 (61)

图3. 13 “稳定”混合气C2H2 + 2.5O2 + 70%Ar中爆震波穿透多孔板B前、后的烟膜记录 (62)

图3. 14 “稳定”混合气C2H2 + 2.5O2 + 70%Ar中爆震波穿透多孔板C前、后的烟膜记录 (63)

图3. 15 “不稳定”混合气C2H2 + 5N2O中爆震波穿透多孔板A前、后的烟膜记录 (64)

图3. 16 激波碰撞多孔板后纹影结构[279] (64)

图3. 17 “起爆”、“不起爆”结果与初始压力或孔径胞格尺寸比的关系 (65)

图3. 18 多孔板R下游的反应区轨迹和速度趋势 (68)

图3. 19 “稳定”混合气C2H2+2.5O2+70%Ar中爆震波穿透多孔板D前、后的烟膜记录 (69)

图3. 20 “不稳定”混合气C2H2 + 5N2O中爆震波穿透多孔板D前、后的烟膜记录 (70)

图4. 1 不同模态对应的供应条件 (73)

图4. 2 不同模态对应的燃烧室轴向压力 (74)

图4. 3 单波模态下的PCB高频压力振荡 (75)

图4. 6 单波和双波模态下STFT结果 (77)

图4. 7 单波模态的旋转爆震三维流场及其展开的二维流场 (78)

图4. 8 单波模态的H2/air旋转爆震波瞬时结构 (79)

图4. 9 RDE燃烧室内外壁沿轴向压力分布 (79)

图4. 10 入口与出口位置处爆震波传播一周的参数分布：总压5atm，总温300 K，背压1 atm (81)

图4. 11 混合模态下的PCB高频压力振荡 (82)

图4. 14 放大后CH4/O2旋转爆震高频压力 (85)

图4. 15 CH4/O2旋转爆震波连续经过观察窗 (86)

图4. 16 双波对撞模态的供应条件 (87)

图4. 17 双波对撞模态的燃烧室轴向压力 (88)

图4. 18 不稳定对撞模态下的PCB高频压力振荡 (88)

图4. 19 对撞模态的解释 (89)

图4. 20 对撞模态下的频率-时间分布和速度-时间分布 (90)

图4. 21 对撞模态下频域内的FFT结果 (90)

图4. 22 吹除N2进入后爆震单波转变到双波对撞模式 (90)

图4. 23 稳定对撞模态下的PCB高频压力振荡 (91)

图4. 24 双波对撞模态的二维流场分布[44] (92)

图4. 25 双波对撞传播过程中不同时刻的周向压力和温度分布[44] (93)

图4. 26 稳定低速爆震的PCB高频压力振荡 (94)

图4. 27 低速爆震模式的频率-时间分布和速度-时间分布 (95)

图4. 28 低速爆震模式的FFT结果 (95)

图4. 29 当量比为1.463的H2/air混合气的CJ爆震速度与压力的关系 (96)

图4. 30 不稳定低速爆震的PCB高频压力振荡 (97)

图4. 31 测量爆震压力反馈传感器位置 (98)

图4. 32 喷注喉部前、后的高频压力振荡 (98)

图4. 33 喷注腔压力 (99)

图4. 34 燃烧室沿轴向压力 (99)

图4. 35 冲压模态下爆震压力反馈进入隔离段 (99)

图4. 36 爆震波的不稳定高频压力振荡 (101)

图4. 37 不稳定爆震波PCB高频压力振荡 (101)

图4. 38 单波模态中间出现短时对撞 (101)

图4. 39 单双波模态转变过程中出现变向 (101)

图4. 41 爆震波连短时间多次变向 (102)

图4. 42 爆震波局部衰退后再次起爆 (103)

图4. 43 伴有出口反射激波的旋转爆震流场示意 (103)

图5. 1 不同燃烧室长度下的三维爆震流场 (108)

图5. 2 不同流道长度下的爆震高度 (108)

图5. 3 出口监测点的流场参数 (109)

图5. 4 流量、推力以及比冲随发动机长度的变化（总压5 atm，总温300 K，背压Pb=1atm） (111)

图5. 5 不同长度下的燃料比冲曲线 (112)

图5. 6 L-3算例入口与出口的轴向速度 (112)

图5. 7 推力、比冲与燃烧室流道长度的关系 (113)

图5. 8 不同燃烧室宽度下的旋转爆震模型发动机实物（左 3 mm，右15 mm） (115)

图5. 9 径向上内、外壁面处的爆震波压力（D int=90 mm，D ext=96 mm，δ=3 mm；

D int=80 mm，D ext=110 mm，δ=15 mm） (115)

图5. 10 不同燃烧室宽度下的流场结构 (117)

图5. 11 不同燃烧室厚度下的爆震高度 (117)

图5. 12 展开的不同径向位置处压力沿周向分布 (119)

图5. 13 不同径向入口位置处的压力记录 (119)

图5. 14 爆震波在环形通道中的传播 (120)

图5. 15 10 mm和20 mm厚度下燃烧室内外壁轴向压力 (121)

图5. 16 不同燃烧室厚度下出口截面中央处的径向速度 (122)

图5. 17 流量、推力以及比冲随燃烧室宽度的变化（总压5 atm，总温300 K，背压Pb=1atm） (122)

图5. 18 燃烧室厚度与燃料比冲的关系 (123)

图5. 19 空桶旋转爆震模型示意图 (124)

图5. 20 不稳定空桶爆震实例的高频压力记录 (125)

图5. 21 不稳定空桶爆震实例# H-1的FFT结果 (126)

图5. 22 稳定空桶爆震实例# H-2的高频压力记录 (127)

图5. 23 稳定爆震实例# H-2的频率-时间分布和FFT结果 (127)

图5. 24 连续三帧传过的爆震波图像 (128)

图5. 25 空心桶内不同流量下的H2/air旋转爆震波形及推力 (129)

图5. 26 空桶爆震喷注压力、推力、比冲与流量的关系 (130)

图5. 28 不同燃烧室直径下的爆震高度 (133)

图5. 29 不同直径的燃烧室入口处局部速度振荡 (133)

图5. 30 不同燃烧室直径下的流场结构 (134)

图5. 31 “跑道”型燃烧室流道下的流场结构 (135)

图5. 32 “跑道”型燃烧室流道内外壁压力分布 (136)

图5. 33 流量、推力以及比冲随燃烧室曲率的变化（总压5 atm，总温300 K，背压Pb=1atm） (136)

图5. 34 出口堵塞下的流道内高频压力振荡 (138)

图5. 35 出口收缩流道计算构型截面 (138)

图5. 36 不同时刻的压力和温度沿周向分布，δ’=4 mm，δ=5 mm，BR=80 % .. 139图5. 38 沿平均圆周展开的二维流场，δ’ = 1 mm，δ = 5 mm，BR = 20 % (140)

图5. 39 内、外壁轴向压力分布，δ’ = 1 mm，δ = 5 mm，BR = 20 % (141)

图5. 40 入口与出口处的短时参数分布：δ’ = 1 mm，δ = 5 mm，BR = 20 % (142)

图5. 41 轴向流道收缩与等直流道下的比冲曲线 (143)

图6. 1 单波模态的测试条件 (145)

图6. 2 单波模态的压力和推力记录 (147)

图6. 3 单波模态的推力与推力面积积分 (147)

图6. 4 混合模态的供应条件 (148)

图6. 6 双波模态的测试条件 (149)

图6. 7 双波模态压力和推力记录 (150)

图6. 8 双波模态的推力分析 (150)

图6. 10 稳定双波对撞模态的压力和推力记录 (151)

图6. 11 不稳定双波对撞模态的压力和推力记录 (152)

图6. 12 图 4. 36（a）中不稳定传播时的压力和推力振荡 (153)

图6. 13 单、双波模态的推力振荡局部放大 (153)

图6. 14 图 6. 2中单波模态的压力和推力振荡放大 (154)

图6. 15 放大的双波模态的压力和推力振荡 (154)

图6. 16 双波-单波模态转变前后的推力振荡放大图 (154)

图6. 17 air不稳定供应实例 (155)

图6. 18 air不稳定供应实例的压力和推力记录 (156)

图6. 19 air不稳定供应实例的频率-时间分布 (156)

图6. 20 单波工况长程推力测量 (156)

图6. 21 不同流量下的模态和比冲统计 (158)

关系 (159)

图6. 23 推力和比冲与燃烧室压力的关系 (159)

图6. 24 爆震波前压力和爆震波高度与喷注压力的关系 (160)

图6. 25 质量流率、推力、比冲、燃料比冲与喷注压力的关系 (161)

图6. 26 爆震传播速度随初始温度、压力和当量比的变化 (161)

图6. 27 爆震波速度模态与当量比的关系 (162)

图6. 28 流量、推力、比冲与当量比的关系 (162)

图6. 29 AR=0.16时的低速爆震传播特征 (164)

图 6. 30 不同喷注面积比下的质量流率、推力、最大燃烧室压力、比冲及燃料比冲与air喷注腔压力的依赖关系 (166)

图6. 31 不同喷注速度下的爆震流场 (167)

图6. 32 不同喷注马赫数下的爆震波高度与波前压力 (167)

图6. 33 单波头矢量调节计算区域设置 (169)

图6. 34 算例Vector-1三维流场结构云图 (171)

图6. 35 算例Vector-1二维流场结构的云图 (172)

图6. 36 算例Vector-1中燃烧室入口和出口处周向的热力学参数分布 (173)

图6. 37 算例Vector-4二维流场结构的云图 (173)

图6. 38 P jet_h/P jet_l=2.0下轴向周向平均压力分布 (175)

图6. 39 不同工况下平均压力沿周向分布 (175)

图6. 40 矢量调节算例的点火区位置和压力监测位置 (175)

图6. 41 算例Vector-5二维流场结构的云图 (176)

图6. 42 算例Vector-5中燃烧室入口和出口处周向的热力学参数分布 (177)

图6. 43 算例Vector-6二维流场结构的云图 (177)

图6. 44 三个点火区下的波头调整过程 (178)

图6. 45 算例Vector-1的流量、推力和比冲 (180)

图6. 46 算例Vector-2的流量、推力和比冲 (180)

图6. 47 算例Vector-3的流量、推力和比冲 (181)

图6. 48 算例Vector-4的流量、推力和比冲 (181)

图6. 49 算例Vector-5的流量、推力和比冲特征 (182)

图6. 50 算例Vector-6的流量、推力和比冲特征 (182)

图6. 51 O-1实例的高频压力记录 (184)

图6. 52 O-1实例的频率-时间分布 (185)

图6. 57 CH4/O2旋转爆震的测试条件 (188)

图6. 59 C-1实例的频率-时间分布和FFT结果 (189)

图6. 60 C-2实例的高频压力和推力记录 (191)

图6. 61 C-2实例的频率-时间分布和FFT结果 (191)