基于等離子體射流點火的PDE磁流體推進特性研究.pdf

1、脈沖爆轟發(fā)動機（Pulse Detonation Engine，簡稱PDE）作為一種新概念發(fā)動機，如何快速點火起爆以及提高推力是PDE工程應用中亟需解決的問題。等離子體點火技術可以提高點火起爆的成功率、有效縮短燃燒轉(zhuǎn)爆轟(Deflagration to Detonation Transition，簡稱DDT)的距離和時間。開展基于等離子體射流點火、磁流體推力增益的PDE研究工作具有重要的工程應用價值。本文采用CE/SE方法編寫程序，對等

2、離子射流點火的PDE快速點火起爆過程，對含磁流體加速管、磁流體旁路的PDE增推過程進行了數(shù)值研究，同時對添加K2CO3電離種子的爆轟過程開展了數(shù)值與實驗研究。主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)建立了考慮等離子體射流點火的多相爆轟理論模型，推導了適用于等離子體射流點火的爆轟過程的CE/SE方法計算格式，編寫程序?qū)Σ捎玫入x子體射流點火的脈沖爆轟發(fā)動機點火起爆過程進行了數(shù)值模擬，對比了等離子體射流點火與電火花塞點火兩種不同點火方式下的DDT

3、過程，討論了不同等離子體射流點火能量和時間對燃燒轉(zhuǎn)爆轟過程的影響，并通過實驗對計算結果的可信性進行了驗證。結果表明:CE/SE方法可以有效地捕捉爆轟流場中的激波、爆轟波等強間斷。計算結果與實驗結果在數(shù)值及趨勢上均吻合較好，采用等離子體射流對PDE點火可以有效縮短DDT時間及距離。
　　(2)建立了等離子體射流點火的脈沖爆轟發(fā)動機粘性多相爆轟模型，應用粘性CE/SE方法對爆轟模型進行了求解，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火條件下粘性作用對爆轟參數(shù)的影響。在此基礎上分析了不同的等離子體射流初始點火溫度、時間以及初始液滴半徑對DDT過程的影響。結果表明:粘性作用對爆轟波的傳播趨勢無影響，對爆轟波傳播強度和速度有影響。提高初始等離子體射流點火的溫度和時間，可以顯著地縮短形成穩(wěn)定爆轟的DDT距離，當?shù)入x子體射流已經(jīng)充分點燃可爆混合物，繼續(xù)增加射流時間對縮短DDT距離影響較小。在等離子體射流溫度為5000K、射流時間為1μs點火條件下:液滴

5、半徑小于50μm時，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，液滴剝離蒸發(fā)時間過長不利于燃料的燃燒，燃燒釋放能量無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，編寫了基于CE/SE方法的計算程序?qū)帕黧w加速裝置的脈沖爆轟發(fā)動機點火、爆轟以及排氣過程進行了數(shù)值研究。模擬了帶磁流體加速器的脈沖爆轟發(fā)動機流場，揭示了磁流體加速器的增推過程，分析了磁流體加速器在不同磁感應強度、

6、負載系數(shù)以及管長條件下對脈沖爆轟發(fā)動機推進性能的影響。結論如下:磁流體加速裝置能夠有效實現(xiàn)脈沖爆轟發(fā)動機的推力補償。磁感應強度及加速段管長增加，脈沖爆轟發(fā)動機的沖量和平均推力均得到顯著提高。存在一定的磁感應強度從而使脈沖爆轟發(fā)動機的推進性能提升率達到最大。
　　(4)建立了含磁流體旁路的脈沖爆轟發(fā)動機氣液兩相爆轟模型。采用CE/SE方法對等離子體射流點火、爆轟過程以及磁流體旁路加速過程進行研究。分析了帶磁流體旁路的脈沖爆轟發(fā)動機流

7、場，討論了四種不同形狀噴管對PDE性能的影響，對比了磁流體旁路在不同磁感應強度以及不同管徑條件下的PDE推進性能。結論如下:在無外加電磁場作用下，采用弧形收斂擴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現(xiàn)脈沖爆轟發(fā)動機的推力補償。在給定條件下，PDE的沖量和推力隨著磁感應強度的增大而增大，推力增益效應在磁感應強度2T作用下最為顯著。在旁路管的設計中管徑不宜過寬也不宜過窄，存在最佳的管徑使脈沖爆轟發(fā)動機增推性能達到最佳。<

8、br>　　(5)建立了含電離種子的脈沖爆轟發(fā)動機模型，推導了適用于模型方程求解的CE/SE方法計算格式，編寫程序?qū)婋x種子的等離子體與爆轟過程間相互作用進行了數(shù)值模擬。通過改變電離種子含量，分析了電離種子含量對電導率以及爆轟特性參數(shù)的影響，并通過外加電磁場裝置實現(xiàn)對爆轟過程的MHD控制。結論如下:在PDE管中添加一定量的電離種子對爆轟過程影響較小，對爆轟等離子體的產(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)量分數(shù)和電導率先增大

9、后減小，在電離種子含量0.05時，離子質(zhì)量分數(shù)和電導率達到最大值。通過MHD控制可以實現(xiàn)爆轟的加減速過程。
　　(6)搭建了火箭式汽油/富氧空氣PDE實驗平臺，利用直接吸收光譜氣體測試技術對添加K2CO3種子的爆轟過程中管口燃氣速度進行了測試研究，通過離子探針、動態(tài)壓力傳感器對爆轟過程中產(chǎn)生的離子濃度、壓力進行了探測，對不同點火頻率下PDE起爆過程進行了研究，討論了不同K2CO3種子含量下PDE爆轟參數(shù)以及推進性能。結論如下:在P

10、DE管內(nèi)添加電離種子可以提高爆轟過程中燃氣的電導率，且隨著電離種子含量的增大，電導率在不斷增大。隨著電離種子含量的增大，電導率提高幅度在減緩。點火頻率5Hz、10Hz工況中均成功點火起爆并形成了穩(wěn)定的爆轟波，且點火頻率5Hz工況下形成穩(wěn)定爆轟的壓力峰值比點火頻率10Hz工況下高17％。在點火頻率20Hz工況下，PDE管中未完全填充燃料，爆轟波強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爆轟過程中的燃氣速度影響較小。