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爆震燃烧热射流起爆机理研究

作　者: 林伟
导　师: 周进
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 爆震管 DDT 方形爆震燃烧室收缩型面横波聚焦高频测压胞格热射流起爆环形爆震燃烧室
分类号: V231.22
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

爆震燃烧系统必须解决稳定起爆的问题。热射流因能量高的优势成为一种很有前景的起爆方式。本文通过理论分析、数值计算和试验手段,较为系统深入地研究了热射流起爆形成爆震波的过程、机理及应用。以爆震管为对象,重点试验研究了采用H2/Air为工质时静态预混的单次爆震射流的DDT(爆燃向爆震转变)特性。发现增大扰流有利于DDT过程,扰流螺旋长度、节距、使用位置等因素对起爆有重要影响;发现在当量比为0.65-2.0之间且有一个合适的管径可以实现DDT;试验总结了长1580mm、内径32mm爆震管的最小扰流距离。对动态填充时爆震工况的研究表明,动态工况下能够起爆形成爆震波,但压力、速度稍低于静态时的情况。为增强火焰射流的能量,提出了一种收缩型面设计思路,通过对该类型面流场的模拟证实了该增强作用,并归纳了该类型面的使用规律:收缩位置靠后、收缩比大、采用多级收缩。采用H2/Air的9组分21方程基元反应模型模拟了激波传过斜劈收缩型面的过程,解释了反射横波聚焦起爆的机理。对收缩型面在爆震射流中的作用进行了试验研究,测量了高频压力和胞格信息,并采用H2/Air总胞反应模型对爆震射流在收缩型面前后的胞格发展趋势进行了数值模拟。在对射流规律研究的基础上,对火花点火、火焰射流、爆震射流分别起爆方形爆震燃烧室进行了研究,揭示了热射流点火起爆的重要作用。重点分析了不同管径、射流类型下水平同轴起爆和横向竖直射流起爆过程的机理,包括压力发展、胞格的传播过程等。运用高速纹影法观察到了爆震射流的起爆及爆震波发展过程。发现射流起爆总是由“热点”演化而来,从过驱爆震开始发展,逐渐变为CJ平稳状态。发现射流的横向入射优于水平方式。详细模拟了横向热射流起爆的影响因素。最后将射流起爆应用于环形爆震燃烧室的点火起爆试验中,成功进行了点火起爆。

全文目录

表目录  7-8
图目录  8-12
摘要  12-13
ABSTRACT  13-15
第一章绪论  15-35
  1.1 研究背景和意义  15-22
    1.1.1 爆震燃烧的研究历程  15-16
    1.1.2 爆震推进的发展综述  16-20
    1.1.3 热射流起爆的意义  20-22
  1.2 热射流起爆的研究和应用进展  22-27
    1.2.1 爆震射流点火起爆研究及进展  22-25
    1.2.2 超声速火焰射流点火起爆研究及进展  25-27
  1.3 气相爆震起爆的理论  27-32
    1.3.1 爆燃向爆震转变的机制  27-29
    1.3.2 自持爆震波的理论模型  29-32
  1.4 本文所做的工作  32-35
第二章试验设备与数值模拟方法  35-55
  2.1 试验系统介绍  35-48
    2.1.1 试验台架  35
    2.1.2 试验件  35-41
    2.1.3 供应管路系统  41-43
    2.1.4 测控系统与观测设备  43-48
  2.2 数值模拟方法  48-54
    2.2.1 控制方程及非平衡流解耦方法  48-50
    2.2.2 化学动力学模型及其求解  50-51
    2.2.3 数值离散格式及边界条件  51-52
    2.2.4 流场计算并行处理方法  52
    2.2.5 算例验证  52-54
  2.3 小结  54-55
第三章爆震管特性的试验研究  55-69
  3.1 静态预混爆震管工作特性试验研究  55-64
    3.1.1 扰流特性对爆震管起爆影响研究  55-60
    3.1.2 最小扰流距离的试验研究  60-61
    3.1.3 内径对起爆影响的试验研究  61-62
    3.1.4 当量比对起爆影响的试验研究  62-64
    3.1.5 初始压力对起爆影响的试验研究  64
  3.2 动态填充爆震管起爆试验  64-66
  3.3 小结  66-69
第四章型面增强热射流研究  69-89
  4.1 型面增强射流的一般规律  69-72
  4.2 横波聚焦起爆的模拟  72-78
    4.2.1 圆弧收缩型面的激波聚焦起爆研究  72-73
    4.2.2 斜劈收缩型面的激波聚焦起爆研究  73-76
    4.2.3 不同Ma数来流对斜劈收缩的影响  76-78
  4.3 收缩型面试验和数值模拟  78-87
    4.3.1 斜劈型面对爆震的影响试验研究  78-83
    4.3.2 斜劈型面下的胞格  83-87
  4.4 小结  87-89
第五章爆震波热射流起爆的机理及应用  89-121
  5.1 低能点火方式下的起爆研究  89-96
    5.1.1 火花点火起爆过程  89-91
    5.1.2 火焰射流起爆  91-96
  5.2 水平同轴爆震射流点火起爆研究  96-99
    5.2.1 爆震射流衍射的起爆试验  96-97
    5.2.2 爆震射流衍射的胞格模拟  97-99
  5.3 横向爆震射流点火起爆研究  99-105
    5.3.1 横向爆震射流起爆的试验研究  99-102
    5.3.2 横向爆震射流起爆的胞格模拟  102-105
  5.4 横向热射流起爆的数值模拟  105-112
    5.4.1 热射流速度影响横向起爆的模拟  105-108
    5.4.2 热射流位置影响横向起爆的模拟  108-109
    5.4.3 入射角度影响横向起爆的模拟  109-111
    5.4.4 热射流宽度影响横向起爆的模拟  111-112
  5.5 爆震射流起爆环形爆震燃烧室试验  112-119
    5.5.1 高能火花起爆技术  112-114
    5.5.2 热射流起爆技术  114-116
    5.5.3 H_2/O_2 可燃混合物典型工况分析  116-119
  5.6 小结  119-121
第六章结论与展望  121-124
致谢  124-126
参考文献  126-132
作者在学期间取得的学术成果  132-133
附录  133

爆震燃烧热射流起爆机理研究

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