环形脉冲爆震发动机引射增推研究

admin · 发表于 2024-1-22 19:57:01

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脉冲爆震发动机是一种高度非稳态装置，如何有效地将脉冲力转化为推进器的推力是研究人员面临的一个挑战。环形脉冲爆震室与涡轮喷气发动机结合在结构上简单可行，一个结构设计较好的引射喷管可以利用爆震波及其后的高温、高压、高速气流来提高脉冲爆震发动机的性能。目前还未形成关于脉冲爆震发动机引射增推的气动原理和相关理论，所以对环形脉冲爆震室引射系统的流场、增推性能的研究是很有意义的。本文设计了环形、圆形爆震室及其引射增推系统，对爆震波的形成过程进行试验研究，得到了引射增推试验的基准工况：当量比 =1.2时，圆形、环形爆震室出口处均可以形成稳定的爆震波。通过改变引射喷管的结构、长度、直径、轴向位置X，改变爆震室的结构、尺寸、填充比等参数，采用推力测量系统对爆震室引射增推系统的瞬时推力进行测量并分析平均推力增量，发现直-扩引射喷管比直引射喷管对爆震室的推力增量大，引射喷管对小环形爆震室的推力增量比对相等当量直径的圆形爆震室的推力增量大；最大推力增量值为40.1%，这是在爆震室填充比ff=1.0，直径为140mm、长度为690mm的直-扩引射喷管，在相对于小环形爆震室出口轴向位置X=0mm处时得到的。将C2H2/Air多组分多步化学反应模型加入FLUENT软件中，对试验采用的爆震引射系统模型简化，进行二维轴对称数值模拟。对爆震波形成前的环形聚心火焰、火焰诱导激波以及聚焦反射波的相互作用，以及爆震波形成后在爆震室中的传播即“三波点”向前运动过程进行了研究。发现不同结构、尺寸的爆震室中形成的爆震波平均胞格尺寸均为5mm。环形爆震室引射过程中，由于中心强激波区的存在，爆震产物在排出爆震室后不能沿轴向流动，这就加强了对被引射气流的卷吸作用，使得主射流与被引射气流混合的更均匀。对引射喷管的长度、轴向位置X、引射喷管-爆震室直径比、爆震室填充比等参数对引射增推性能进行了数值模拟研究。引射喷管分直引射、直-扩引射、扩张引射三种型式，爆震室分小环形、大环形、圆形三种型式。发现引射喷管增推过程在于，爆震产物卷吸被引射气流减缓了瞬时推力降为最低值的过程，在循环的后面阶段出现主流向爆震室回填现象，但在惯性和压力梯度的作用下，引射喷管进口仍有被引射气流进入系统，来提高整个系统的瞬时推力，消除瞬时推力为负值的阶段。要使引射推力性能达到最佳，环形爆震室引射系统比圆形爆震室引射系统需要较长的引射喷管。小环形爆震室引射系统中，推力增量最大值在直-扩引射喷管长度为690mm、直径比 =2.8、轴向位置X=0mm时得到，为46.6%；大环形爆震室引射系统中，直径比 =2.33的直-扩引射喷管在轴向位置X=-50mm时具有较好的增推性能。本文最后采用解析和数值相结合的方法对三维圆形爆震室引射过程进行模拟来验证二维轴对称数值模拟的正确性。还对激波聚焦和火焰聚心现象、环形爆震波聚焦起爆，爆震波和激波在弯管中的传播过程进行了数值研究。

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