吸气式连续旋转爆震波自持传播机制研究

目录

摘要 (i)

Abstract (iii)

第一章引言 (1)

1.1 研究背景及意义 (1)

1.2 连续旋转爆震研究进展 (3)

1.2.1 各国研究进展简述 (3)

1.2.2 连续旋转爆震波的起爆 (10)

1.2.3 连续旋转爆震波的传播模态 (12)

1.2.4 连续旋转爆震波传播过程的稳定性 (16)

1.2.5 连续旋转爆震与推进剂喷注相互作用 (18)

1.2.6 连续旋转爆震波的自持传播机制 (19)

1.2.7 连续旋转爆震的推进应用 (20)

1.3 研究现状分析 (25)

1.4 本文研究内容 (26)

第二章试验系统与数值模拟方法 (28)

2.1 吸气式连续旋转爆震直连式试验系统 (28)

2.1.1 方案设计 (28)

2.1.2 直连式试验台 (29)

2.1.3 空气加热器 (29)

2.1.4 连续旋转爆震燃烧室 (30)

2.1.5 起爆系统 (30)

2.1.6 测量与控制系统 (32)

2.2 化学非平衡流数值模拟方法 (37)

2.2.1 控制方程及解耦方法 (37)

2.2.2 化学动力学模型及处理方法 (39)

2.2.3 数值离散格式 (40)

2.2.4 边界条件处理 (40)

2.2.5 流场计算并行处理方法 (40)

2.3 二维轴对称流场计算方法 (42)

2.4 小结 (43)

第三章吸气式连续旋转爆震传播特性与流场结构 (44)

3.1 吸气式连续旋转爆震可行性试验验证 (44)

3.1.1 时序与工况 (44)

3.1.2 试验过程介绍 (45)

3.1.3 连续旋转爆震传播特性分析 (46)

3.1.4 隔离段流动状态分析 (48)

3.1.5 长程试验 (49)

3.2 同向模式 (50)

3.2.1 同向单波模态 (50)

3.2.2 同向双波模态 (56)

3.3 对撞模式 (60)

3.3.1 双波对撞模态 (61)

3.3.2 多波对撞模态 (64)

3.4 轴向模式 (66)

3.4.1 传播特性 (66)

3.4.2 高速摄影结果 (68)

3.4.3 自持机制分析 (70)

3.5 小结 (73)

第四章连续旋转爆震波与燃烧室入口来流相互作用 (75)

4.1 吸气式连续旋转爆震与来流相互作用流场特征 (75)

4.1.1 超声速入流模态 (76)

4.1.2 亚声速入流模态 (80)

4.1.3 进气道受影响模态 (83)

4.1.4 非稳定工况下的连续旋转爆震/来流相互作用 (85)

4.1.5 燃料喷注与来流相互作用 (88)

4.2 连续旋转爆震压力前传过程分析 (90)

4.2.1 隔离段/爆震燃烧室高频压力特征分析 (91)

4.2.2 隔离段波系前传特征 (92)

4.3 连续旋转爆震/来流相互作用影响因素研究 (94)

4.3.1 燃烧室直径(宽度) (95)

4.3.2 来流总温 (96)

4.3.3 当量比 (97)

4.4 连续旋转爆震/来流相互作用影响边界理论分析 (97)

4.4.1 数值计算结果 (99)

4.4.2 爆震波影响边界位置分析 (102)

4.5 小结 (104)

第五章连续旋转爆震波传播稳定性研究 (105)

5.1 连续旋转爆震波传播过程的微观不稳定性 (105)

5.1.1 试验构型与试验工况 (105)

5.1.2 连续旋转爆震波传播过程的稳定性 (106)

5.1.3 推进剂流量的影响 (107)

5.1.4 来流总温的影响 (108)

5.2 连续旋转爆震传播过程中的低频振荡现象 (109)

5.2.1 低频振荡特性 (109)

5.2.2 低频振荡发展过程与形成机制 (112)

5.2.3 沿程稳定性分析 (115)

5.2.4 当量比对传播稳定性的影响 (117)

5.3 连续旋转爆震的宏观不稳定传播及模态转换过程 (119)

5.3.1 连续旋转爆震的混合传播模态 (119)

5.3.2 试验工况对同向/对撞模态的影响 (122)

5.4 小结 (126)

第六章吸气式连续旋转爆震发动机性能分析 (127)

6.1 吸气式连续旋转爆震推力测量 (127)

6.1.1 连续旋转爆震推力特征 (127)

6.1.2 连续旋转爆震推力性能分析 (128)

6.1.3 当量比对推力性能的影响 (129)

6.2 尾喷管构型对推力性能的影响 (130)

6.2.1 收敛-扩张喷管 (130)

6.2.2 扩张喷管 (133)

6.3 吸气式连续旋转爆震发动机循环分析 (135)

6.3.1 循环分析模型假设 (135)

6.3.2 循环分析建模过程 (137)

6.3.3 计算流程图 (140)

6.3.4 性能分析结果 (141)

6.4 小结 (143)

第七章结论与展望 (145)

致谢 (148)

参考文献 (150)

作者在学期间取得的学术成果 (163)

表目录

表2.1 PCB传感器性能参数 (35)

表2.2 Kulite传感器性能参数 (36)

表3.1 试验工况和结果介绍 (45)

表3.2 H2/CH4混合气组分 (50)

表4.1 试验工况和结果介绍 (75)

表4.2 喷管构型与几何尺寸说明 (80)

表4.3 不同总温下的试验工况剂及结果介绍 (96)

表4.4 算例设置 (98)

表5.1 试验工况和结果 (106)

表5.2 不同燃料组分下的试验工况和结果介绍 (122)

表5.3 试验工况和试验结果 (123)

图目录

图1.1 连续旋转爆震的工作模态 (2)

图1.2 俄罗斯研究进展 (4)

图1.3 AFRL连续旋转爆震试验研究进展 (6)

图1.4 圆柱形连续旋转爆震燃烧室 (7)

图1.5 法国连续旋转爆震研究进展 (8)

图1.6 波兰的研究进展 (9)

图1.7 同向模式的试验与数值计算结果 (13)

图1.8 对撞模式的可见光观测结果 (14)

图1.9 连续旋转爆震波的不稳定传播现象 (17)

图1.10 连续旋转爆震与推进剂相互作用研究 (19)

图1.11 连续旋转爆震的流道构型 (21)

图1.12 全圆筒形连续旋转爆震燃烧室[84] (22)

图1.13 连续旋转爆震驱动涡轮研究 (23)

图1.14 二维时均流场不同流线上Rothalpy的分布[181] (24)

图2.1 吸气式连续旋转爆震试验系统 (28)

图2.2 吸气式连续旋转爆震直连式试验台 (29)

图2.3 #2-1次试验压力分布. (29)

图2.4 连续旋转爆震燃烧室构型示意图 (30)

图2.5 连续旋转爆震起爆系统 (30)

图2.6 热射流管工作时序 (31)

图2.7 热射流管出口端高频压力测量结果 (31)

图2.8 测控系统终端 (32)

图2.9 流量与压力测量部件 (33)

图2.10 高速摄影图像校正示意图 (34)

图2.11 高频压力采集系统 (35)

图2.12 PCB及压力测量位置 (35)

图2.13 Kulite传感器标定结果 (36)

图2.14 高频推力测量系统示意图 (37)

图2.15 网格无关性验证 (41)

图2.16 二维无燃烧流场模型与算例验证 (42)

图3.1 吸气式连续旋转爆震直连式试验时序 (44)

图3.2 #3-1次试验压力结果 (45)

图3.3 #3-1次试验传感器布置示意图 (46)

图3.4 #3-1次试验高频压力结果 (46)

图3.5 #3-1次试验中稳定传播阶段高频压力结果. (47)

图3.6 #3-1次试验连续旋转爆震波传播频率. (47)

图3.7 #3-1次试验壁面压力结果 (48)

图3.8 #3-2次试验压力结果 (49)

图3.9 #3-2次试验不同时刻的壁面压力分布 (49)

图3.10 #3-3次试验传感器布置方式示意图 (50)

图3.11 #3-3次试验高频压力测量结果 (51)

图3.12 #3-3次试验连续旋转爆震波传播速度分析结果 (52)

图3.13 可见光高速摄影结果 (53)

图3.14 爆震流场结构:高速摄影与数值计算对比 (54)

图3.15 爆震波传播速度分解 (54)

图3.16 吸气式连续旋转爆震流场结构—同向单波模态 (55)

图3.17 同向单波二维流场的温度云图 (55)

图3.18 爆震燃烧室沿程高频压力局部视图 (56)

图3.19 爆震燃烧室入口横截面压力分布云图 (56)

图3.20 #3-4次试验传感器布置示意图 (57)

图3.21 #3-4次试验高频压力结果 (57)

图3.22 同向双波传播示意图 (58)

图3.23 吸气式连续旋转爆震流场结构—同向双波模态 (59)

图3.24 同向双波二维流场云图 (59)

图3.25 爆震燃烧室下游5mm处的压力分布和压力云图 (60)

图3.26 爆震燃烧室下游10mm处的压力分布和压力云图 (60)

图3.27 #3-5次试验高频压力局部视图 (61)

图3.28 双波对撞传播过程示意图 (61)

图3.29 #3-5次试验爆震波传播频率分布 (62)

图3.30 双波对撞模态数值计算结果 (62)

图3.31 双波对撞模态流场结构与爆震波传播特性(Δx=5) (63)

图3.32 #3-6次试验高频压力结果 (64)

图3.33 四波对撞传播示意图(推测) (65)

图3.34 爆震燃烧室压力分布 (65)

图3.35 低当量比下的四波对撞结果 (66)

图3.36 #3-8次试验传感器布置示意图 (66)

图3.37 #3-8次试验高频压力结果 (67)

图3.38 DSPD高速摄影结果 (68)

图3.39 #3-9次试验高频压力结果 (69)

图3.40 二维无燃烧流场参数云图 (70)

图3.41 二维流场中爆震波前传过程 (71)

图3.42 爆震波局部流场云图 (72)

图3.43 无燃烧流场爆震燃烧室出口处流线图 (72)

图3.44 #3-9次试验爆震燃烧室Kulite测量压力结果 (73)

图4.1 #4-1次试验结果 (76)

图4.2 #4-2次长程试验结果 (77)

图4.3 超声速入流模态下连续旋转爆震二维流场马赫数分布 (78)

图4.4 超声速入流模态下隔离段和爆震燃烧室压力 (79)

图4.5 超声速入流模态下速度/温度分布云图 (79)

图4.6 尾喷管构型示意图 (80)

图4.7 #4-3次试验压力分布 (81)

图4.8 亚声速入流模态速度分布云图 (82)

图4.9 亚声速入流模态隔离段压力 (82)

图4.10 #4-4次试验结果 (83)

图4.11 进气道受影响模态的数值计算结果 (84)

图4.12 爆震波影响区域划分 (84)

图4.13 #4-5次试验压力分布. (85)

图4.14 #4-5试验高频压力结果. (85)

图4.15 #4-6次试验结果 (86)

图4.16 #4-6次试验高频压力结果 (87)

图4.17 #4-7次试验结果 (87)

图4.18 #4-7次试验高频压力结果 (88)

图4.19 #4-8次试验结果 (89)

图4.20 无燃烧壁面压力结果 (89)

图4.21 #4-9次试验流场结构示意图 (89)

图4.22 吸气式连续旋转爆震流场结构示意图 (90)

图4.23 #4-10次试验条件与结果 (91)

图4.24 爆震波的影响轨迹 (92)

图4.25 4-11次试验高频压力传感器布置方式与高频压力结果 (93)

图4.26 爆震波影响轨迹示意图 (93)

图4.27 爆震波上游斜激波示意图 (94)

图4.28 当量比对前传速度和偏转角的影响 (94)

图4.29 爆震燃烧室尺寸的影响 (96)

图4.30 连续旋转爆震波的平均传播频率和爆震燃烧室平均压力 (97)

图4.31 p b与爆震/来流相互作用模态 (98)

图4.32 数值计算模型示意图 (98)

图4.33 不同来流总温下的流场压力分布 (99)

图4.34 不同来流总压下的流场压力分布 (100)

图4.35 尾喷管对流场压力分布的影响 (100)

图4.36 不同反应区位置时的流场压力分布 (101)

图4.37 不同燃烧室尺寸下的流场压力分布 (102)

图4.38 不同面积扩张段扩张角下的流场压力分布 (103)

图4.39 爆震波影响边界分析模型验证 (104)

图5.1 燃烧室构型与传感器布置示意图 (106)

图5.2 #5-3次试验CRDW的传播频率 (106)

图5.3 质量流量的影响 (108)

图5.4 不同总温下传播频率的相对标准偏差 (108)

图5.5 #5-4 次实验结果(ER=0.82) (110)

图5.6 #5-4次实验高频压力结果 (110)

图5.7 #5-4次实验：高频压力/振荡频率序列分析 (111)

图5.8 #5-4次实验：高频压力/振荡频率整体分析 (112)

图5.9 连续旋转爆震传播过程中的低频振荡现象(数值计算结果) (113)

图5.10 连续旋转爆震流场压力分布 (113)

图5.11 爆震波面角度对传播周期的影响 (113)

图5.12 连续旋转爆震波流场参数 (114)

图5.13 连续旋转爆震低频不稳定传播过程 (115)

图5.14 沿程稳定性分析(ER=0.87) (116)

图5.15 当量比对爆震波传播稳定性的影响(基于PCB3) (118)

图5.16 #5-5次试验连续旋转爆震波传播模态 (120)

图5.17 #5-6次试验：混合DSPD/对撞模态 (120)

图5.18 #5-16次试验高频压力结果 (121)

图5.19 H2/CH4中CH4含量对传播特性的影响 (123)

图5.20 不同当量比下的传播速度、速度亏损和相对标准偏差 (124)

图5.21 推进剂流量对传播模态的影响 (125)

图6.1 #6-1次试验结果 (128)

图6.2 不同当量比下的推力性能与传播特性 (129)

图6.3 当量比对燃烧室沿程压力分布的影响 (130)

图6.4 Laval喷管对推力性能的影响 (131)

图6.5 Laval喷管对燃烧室沿程压力分布的影响(ER=0.7) (131)

图6.6 Laval喷管对爆震波传播特性的影响 (132)

图6.7 Laval喷管对CRDW/来流相互作用的影响 (133)

图6.8 扩张型尾喷管对推力性能的影响 (134)

图6.9 扩张型尾喷管对燃烧室沿程压力分布的影响(ER=0.7) (134)

图6.10 扩张型尾喷管对传播特性的影响 (135)

图6.11 吸气式连续旋转爆震发动机构型(Braun) (135)

图6.12 吸气式连续旋转爆震发动机构型示意图 (136)

图6.13 进排气过程的T-s图 (136)

图6.14 连续旋转爆震流场结构 (139)

图6.15 旋转坐标系下二维时均流场的Rothalpy分布 (140)

图6.16 计算流程图 (141)

图6.17 不同燃烧室宽度下的推力性能与燃烧室压力(H2) (142)

图6.18 不同燃烧室宽度下的波系位置与波前马赫数(H2) (143)

图6.19 不同当量比下的推力性能与爆震燃烧室平均压力(C2H4/CH4混合气) (143)