基于等離子體射流點(diǎn)火的PDE磁流體推進(jìn)特性研究.pdf

1、脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)（Pulse Detonation Engine，簡(jiǎn)稱(chēng)PDE）作為一種新概念發(fā)動(dòng)機(jī)，如何快速點(diǎn)火起爆以及提高推力是PDE工程應(yīng)用中亟需解決的問(wèn)題。等離子體點(diǎn)火技術(shù)可以提高點(diǎn)火起爆的成功率、有效縮短燃燒轉(zhuǎn)爆轟(Deflagration to Detonation Transition，簡(jiǎn)稱(chēng)DDT)的距離和時(shí)間。開(kāi)展基于等離子體射流點(diǎn)火、磁流體推力增益的PDE研究工作具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。本文采用CE/SE方法編寫(xiě)程序，對(duì)等

2、離子射流點(diǎn)火的PDE快速點(diǎn)火起爆過(guò)程，對(duì)含磁流體加速管、磁流體旁路的PDE增推過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值研究，同時(shí)對(duì)添加K2CO3電離種子的爆轟過(guò)程開(kāi)展了數(shù)值與實(shí)驗(yàn)研究。主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)建立了考慮等離子體射流點(diǎn)火的多相爆轟理論模型，推導(dǎo)了適用于等離子體射流點(diǎn)火的爆轟過(guò)程的CE/SE方法計(jì)算格式，編寫(xiě)程序?qū)Σ捎玫入x子體射流點(diǎn)火的脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火起爆過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)比了等離子體射流點(diǎn)火與電火花塞點(diǎn)火兩種不同點(diǎn)火方式下的DDT

3、過(guò)程，討論了不同等離子體射流點(diǎn)火能量和時(shí)間對(duì)燃燒轉(zhuǎn)爆轟過(guò)程的影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)計(jì)算結(jié)果的可信性進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明:CE/SE方法可以有效地捕捉爆轟流場(chǎng)中的激波、爆轟波等強(qiáng)間斷。計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在數(shù)值及趨勢(shì)上均吻合較好，采用等離子體射流對(duì)PDE點(diǎn)火可以有效縮短DDT時(shí)間及距離。
　　(2)建立了等離子體射流點(diǎn)火的脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)粘性多相爆轟模型，應(yīng)用粘性CE/SE方法對(duì)爆轟模型進(jìn)行了求解，分別以N-S方程和Euler方程為控制方程

4、，比較了等離子體射流點(diǎn)火條件下粘性作用對(duì)爆轟參數(shù)的影響。在此基礎(chǔ)上分析了不同的等離子體射流初始點(diǎn)火溫度、時(shí)間以及初始液滴半徑對(duì)DDT過(guò)程的影響。結(jié)果表明:粘性作用對(duì)爆轟波的傳播趨勢(shì)無(wú)影響，對(duì)爆轟波傳播強(qiáng)度和速度有影響。提高初始等離子體射流點(diǎn)火的溫度和時(shí)間，可以顯著地縮短形成穩(wěn)定爆轟的DDT距離，當(dāng)?shù)入x子體射流已經(jīng)充分點(diǎn)燃可爆混合物，繼續(xù)增加射流時(shí)間對(duì)縮短DDT距離影響較小。在等離子體射流溫度為5000K、射流時(shí)間為1μs點(diǎn)火條件下:液滴

5、半徑小于50μm時(shí)，爆轟波峰值壓力隨著液滴半徑的增大而減小;液滴半徑大于150μm時(shí)，液滴剝離蒸發(fā)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)不利于燃料的燃燒，燃燒釋放能量無(wú)法提供激波傳播所需能量，不能形成穩(wěn)定爆轟波。
　　(3)建立了含磁流體的爆轟模型，編寫(xiě)了基于CE/SE方法的計(jì)算程序?qū)帕黧w加速裝置的脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火、爆轟以及排氣過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值研究。模擬了帶磁流體加速器的脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)流場(chǎng)，揭示了磁流體加速器的增推過(guò)程，分析了磁流體加速器在不同磁感應(yīng)強(qiáng)度、

6、負(fù)載系數(shù)以及管長(zhǎng)條件下對(duì)脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)性能的影響。結(jié)論如下:磁流體加速裝置能夠有效實(shí)現(xiàn)脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的推力補(bǔ)償。磁感應(yīng)強(qiáng)度及加速段管長(zhǎng)增加，脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的沖量和平均推力均得到顯著提高。存在一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度從而使脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)性能提升率達(dá)到最大。
　　(4)建立了含磁流體旁路的脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)氣液兩相爆轟模型。采用CE/SE方法對(duì)等離子體射流點(diǎn)火、爆轟過(guò)程以及磁流體旁路加速過(guò)程進(jìn)行研究。分析了帶磁流體旁路的脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)流

7、場(chǎng)，討論了四種不同形狀噴管對(duì)PDE性能的影響，對(duì)比了磁流體旁路在不同磁感應(yīng)強(qiáng)度以及不同管徑條件下的PDE推進(jìn)性能。結(jié)論如下:在無(wú)外加電磁場(chǎng)作用下，采用弧形收斂擴(kuò)張噴管更有利于激波逆向傳入旁路管中。磁流體旁路可以有效的實(shí)現(xiàn)脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的推力補(bǔ)償。在給定條件下，PDE的沖量和推力隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大而增大，推力增益效應(yīng)在磁感應(yīng)強(qiáng)度2T作用下最為顯著。在旁路管的設(shè)計(jì)中管徑不宜過(guò)寬也不宜過(guò)窄，存在最佳的管徑使脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)增推性能達(dá)到最佳。<

8、br>　　(5)建立了含電離種子的脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)模型，推導(dǎo)了適用于模型方程求解的CE/SE方法計(jì)算格式，編寫(xiě)程序?qū)婋x種子的等離子體與爆轟過(guò)程間相互作用進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過(guò)改變電離種子含量，分析了電離種子含量對(duì)電導(dǎo)率以及爆轟特性參數(shù)的影響，并通過(guò)外加電磁場(chǎng)裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)爆轟過(guò)程的MHD控制。結(jié)論如下:在PDE管中添加一定量的電離種子對(duì)爆轟過(guò)程影響較小，對(duì)爆轟等離子體的產(chǎn)生影響較大。隨著電離種子含量的增大，爆轟管內(nèi)離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)和電導(dǎo)率先增大

9、后減小，在電離種子含量0.05時(shí)，離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)和電導(dǎo)率達(dá)到最大值。通過(guò)MHD控制可以實(shí)現(xiàn)爆轟的加減速過(guò)程。
　　(6)搭建了火箭式汽油/富氧空氣PDE實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用直接吸收光譜氣體測(cè)試技術(shù)對(duì)添加K2CO3種子的爆轟過(guò)程中管口燃?xì)馑俣冗M(jìn)行了測(cè)試研究，通過(guò)離子探針、動(dòng)態(tài)壓力傳感器對(duì)爆轟過(guò)程中產(chǎn)生的離子濃度、壓力進(jìn)行了探測(cè)，對(duì)不同點(diǎn)火頻率下PDE起爆過(guò)程進(jìn)行了研究，討論了不同K2CO3種子含量下PDE爆轟參數(shù)以及推進(jìn)性能。結(jié)論如下:在P

10、DE管內(nèi)添加電離種子可以提高爆轟過(guò)程中燃?xì)獾碾妼?dǎo)率，且隨著電離種子含量的增大，電導(dǎo)率在不斷增大。隨著電離種子含量的增大，電導(dǎo)率提高幅度在減緩。點(diǎn)火頻率5Hz、10Hz工況中均成功點(diǎn)火起爆并形成了穩(wěn)定的爆轟波，且點(diǎn)火頻率5Hz工況下形成穩(wěn)定爆轟的壓力峰值比點(diǎn)火頻率10Hz工況下高17％。在點(diǎn)火頻率20Hz工況下，PDE管中未完全填充燃料，爆轟波強(qiáng)度減弱并退化為激波在管中傳播。添加一定含量的電離種子對(duì)爆轟過(guò)程中的燃?xì)馑俣扔绊戄^小。