基于激光吸收光譜技術(shù)的脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)流場(chǎng)測(cè)試研究.pdf

1、脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)（Pulse Detonation Engine，簡(jiǎn)稱PDE）作為一種基于爆轟燃燒的新概念推進(jìn)系統(tǒng)，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。目前針對(duì)PDE的理論與實(shí)驗(yàn)研究均得了很大的進(jìn)展，但是實(shí)現(xiàn)其工程化應(yīng)用還面臨著很多難題和挑戰(zhàn)。流場(chǎng)溫度、速度及燃?xì)饨M分濃度等參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化能夠更加準(zhǔn)確的描述PDE的整個(gè)工作過(guò)程，從而為PDE性能提升研究提供重要輔助作用。開(kāi)展針對(duì)PDE流場(chǎng)參數(shù)的測(cè)試研究工作具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。激光吸收光譜技術(shù)作為一種

2、非接觸式氣體在線測(cè)試手段，憑借其獨(dú)特的單譜線掃描方式、極快的響應(yīng)速度與極高的環(huán)境適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)，成為PDE流場(chǎng)參數(shù)的有效診斷技術(shù)。本文基于激光吸收光譜技術(shù)，針對(duì)無(wú)閥式氣液兩相PDE的管內(nèi)外流場(chǎng)參數(shù)開(kāi)展了測(cè)試研究，對(duì)PDE的工作過(guò)程、沖量特性及燃?xì)鉁囟冉M分分布進(jìn)行了診斷分析，對(duì)多光路非均勻流場(chǎng)二維重建算法進(jìn)行了仿真研究。主要內(nèi)容如下:
　　(1)針對(duì)變壓力環(huán)境下的吸收光譜特性進(jìn)行了研究分析。在負(fù)壓環(huán)境下對(duì)4388.77cm-1CO譜線

3、進(jìn)行了譜線參數(shù)標(biāo)定，為PDE燃?xì)饨M分CO測(cè)試研究提供更準(zhǔn)確的譜線參數(shù)。以CO2為特征氣體，對(duì)6330～6337cm-1波段譜線在高壓環(huán)境下的吸收光譜加寬特性進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)研究。針對(duì)高壓環(huán)境下吸收光譜嚴(yán)重加寬且基線上移從而導(dǎo)致吸收率計(jì)算誤差加大的問(wèn)題，提出了一種基于直接完整透射光的吸收率計(jì)算方法，從透射光信號(hào)中直接獲取光譜吸收率、線寬及譜線中心波數(shù)等關(guān)鍵光譜參數(shù)，為激光吸收光譜技術(shù)應(yīng)用于PDE工作過(guò)程中高壓燃?xì)鈬娚潆A段的測(cè)試研究計(jì)算基礎(chǔ)

4、。
　　(2)根據(jù)雙譜線測(cè)試原理設(shè)計(jì)搭建了基于波分復(fù)用技術(shù)的光纖分布式PDE管內(nèi)燃?xì)鉁y(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了流場(chǎng)參數(shù)測(cè)試的遠(yuǎn)程控制，并對(duì)PDE的工作過(guò)程進(jìn)行了診斷分析。采用7158.6/7444.35cm-1譜線對(duì)PDE管內(nèi)流場(chǎng)燃?xì)鉁囟扰cH2O組分濃度進(jìn)行了同步測(cè)試實(shí)驗(yàn)。創(chuàng)新性地利用PDE工作循環(huán)過(guò)程中吸收光譜峰值變化與激光信號(hào)強(qiáng)度變化兩種方法對(duì)無(wú)閥式PDE填充進(jìn)程完成所需時(shí)間進(jìn)行判斷，并以此判斷填充系數(shù)對(duì)應(yīng)點(diǎn)火時(shí)間間隔。對(duì)不同填充系數(shù)條

5、件下的發(fā)動(dòng)機(jī)爆轟效果進(jìn)行測(cè)試研究，分析穩(wěn)定爆轟形成所需填充系數(shù)條件。當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)填充系數(shù)大于或等于84％時(shí)PDE管內(nèi)可形成穩(wěn)定爆轟，而填充系數(shù)小于等于76％時(shí)PDE管內(nèi)的燃燒方式為爆燃，并未形成穩(wěn)定爆轟;對(duì)PDE工作過(guò)程中燃?xì)鉁囟燃癏2O氣體濃度變化情況進(jìn)行了同步監(jiān)測(cè)，并對(duì)PDE從爆轟形成傳播、高溫高速燃?xì)鈬娚?、廢氣排放及燃料氧化劑填充的整個(gè)工作過(guò)程進(jìn)行了分析研究;采用4338.77cm-1吸收譜線對(duì)不同工況下CO氣體濃度的變化情

6、況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，研究不同燃料當(dāng)量比對(duì)PDE工作過(guò)程的影響。在燃料當(dāng)量比1.09～1.31范圍內(nèi)，當(dāng)量比對(duì)PDE工作循環(huán)前期的爆轟形成傳播及高溫高速燃?xì)馀欧烹A段的影響要低于管內(nèi)緩燃效應(yīng)的影響。
　　(3)基于吸收光譜技術(shù)對(duì)PDE沖量特性進(jìn)行了分析研究。根據(jù)雙譜線測(cè)溫法及多普勒測(cè)速法分別對(duì)PDE管口處燃?xì)鉁囟燃八俣乳_(kāi)展了測(cè)試研究工作，根據(jù)動(dòng)量原理計(jì)算燃?xì)鉀_量，實(shí)現(xiàn)了PDE沖量的間接測(cè)量，獲得了PDE單個(gè)工作循環(huán)過(guò)程中的燃?xì)饷芏?、沖量及排氣

7、質(zhì)量等燃?xì)馀欧艆?shù)的變化情況。當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件下，單次爆轟循環(huán)過(guò)程中PDE產(chǎn)生的總沖量為1.87N·s，其中燃?xì)鈩?dòng)量貢獻(xiàn)的部分占總沖量的69.7％。爆轟燃?xì)鈩?dòng)量對(duì)沖量的貢獻(xiàn)在爆轟附著膨脹階段、壅塞膨脹階段、膨脹減弱階段及緩燃階段分別占總沖量的53.0％、27.8％、6.7％和12.5％，相應(yīng)的燃?xì)馀欧刨|(zhì)量占總質(zhì)量百分比分別為17％、29.6％、16％和37.4％，緩燃階段所產(chǎn)生的沖量要遠(yuǎn)低于爆轟附著膨脹及壅塞膨脹階段所產(chǎn)生的沖量。
　

8、　(4)針對(duì)PDE管外流場(chǎng)邊界不確定且實(shí)時(shí)變化的特點(diǎn)，引入單光路非均勻流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)，對(duì)PDE管外非均勻流場(chǎng)燃?xì)鉁囟燃癏2O濃度分布情況進(jìn)行了測(cè)試研究。采用CE/SE算法對(duì)PDE管外流場(chǎng)分布情況進(jìn)行了數(shù)值仿真研究，并以此建立兩段式矩形分布模型、考慮溫度邊界效應(yīng)的梯形分布模型及高斯分布模型三種管外流場(chǎng)分布模型假設(shè)，并通過(guò)誤差分析選取梯形分布模型開(kāi)展PDE管外非均勻流場(chǎng)參數(shù)測(cè)試研究。基于單光路非均勻流場(chǎng)測(cè)試原理選取四條特征吸收譜線(7170.

9、28cm-1、7170.28cm-1、7185.60cm-1和7444.35cm-1)，利用時(shí)分復(fù)用技術(shù)使選取的吸收譜線同時(shí)掃描PDE管外流場(chǎng)測(cè)試區(qū)域，并根據(jù)吸收譜線穿過(guò)測(cè)試區(qū)后的光譜吸收率建立非線性方程組，采用最小二乘計(jì)算方法進(jìn)行求解，獲得了不同測(cè)試點(diǎn)處燃?xì)鉁囟燃癏2O組分濃度在PDE單個(gè)工作循環(huán)過(guò)程中的參數(shù)變化情況?；赑DE管外溫度場(chǎng)分布重建結(jié)果計(jì)算當(dāng)?shù)芈曀?，提出利用聲波與爆轟波在傳播速度上的顯著差異對(duì)PDE噪聲近遠(yuǎn)場(chǎng)分界點(diǎn)進(jìn)行判

10、定的方法。
　　(5)針對(duì)PDE管外流場(chǎng)溫度變化范圍較廣的測(cè)試條件，提出了應(yīng)用于多光路吸收光譜二維流場(chǎng)重建中的自適應(yīng)代數(shù)迭代重建算法(SAATA)，并通過(guò)多種投影重建仿真，對(duì)SAATA算法在燃燒場(chǎng)二維重建中的可行性進(jìn)行了考察。SAATA算法具有較高的溫度靈敏度，在300～3000K溫度范圍內(nèi)均能較好地實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)與濃度場(chǎng)的重建;在溫度變化平緩與陡峭兩種情況下的流場(chǎng)重建中均能較準(zhǔn)確地捕捉到流場(chǎng)形狀、溫度峰值位置與幅值等流場(chǎng)特征;SAA