串联点火起爆方式脉冲爆轰发动机数值模拟及实验研究

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脉冲爆轰发动机是利用周期性爆轰波产生推力的新型动力装置,具有结构简单,热循环效率高,可靠性强等诸多优点。如何提高工作频率是脉冲爆轰发动机研究中的热点问题,本文利用一级主管内形成的稳定爆轰波具有高温高压的特点,对次级主管进行点火,结果表明串联点火可以有效缩短DDT(Deflagration to Detonation Transition)距离,在次级主管内实现快速起爆,最终达到提高发动机工作频率的目的。本文从数值模拟和实验研究两个方面对脉冲爆轰发动机串联点火起爆过程进行了研究。主要内容如下:(1)建立一级主管二维/轴对称爆轰数学物理模型,采用二维/轴对称无粘CE/SE方法对一级主管内爆轰过程进行数值计算。结果表明:开口位置不变,开口直径越大,主爆轰管内流场所受扰动越大。在满足连接支管顺利起爆的前提下,应当尽量缩小连接处截面面积以降低开口对主爆轰管内流场的影响。(2)建立分叉支管一维爆轰数学物理模型,采用入口边界条件与一级主管耦合,采用一维无粘CE/SE方法对连接支管内流场进行数值模拟。对利用一级主管内形成的稳定爆轰波绕射点火方式和采用传统高温高压点火方式进行了对比计算,证明爆轰波绕射点火可以缩短DDT距离和DDT时间。(3)建立次级主管二维/轴对称爆轰数学物理模型,对次级主管内点火过程进行数值计算,得到不同管径比和不同管间耦合过渡方式等因素对次级主管内爆轰过程的影响。(4)设计搭建实验平台,H2/O2为燃料和氧化剂,对爆轰波在分叉支管内传播过程进行了实验研究,明确了爆轰波在分叉管内的传播机理,分析不同填充条件和扰流片对支管内爆轰波的影响。通过上述数值模拟及实验研究,明确了单次循环过程中发动机内流场变化情况。相较于传统点火方式,采用串联点火起爆方式可以有效提高发动机工作频率,有利于脉冲爆轰发动机实现工程化应用。
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