吸气式连续旋转爆震发动机工作特性研究

【摘要】：本文以吸气式连续旋转爆震为对象,结合数值模拟及实验研究,重点分析了爆震波的起爆过程、流场结构及传播特性,对比研究了试验工况、几何构型等因素对发动机性能的影响规律。对喷注面板情况下连续旋转爆震开展了三维数值研究,燃料在顶部喷注时,稳定传播后的连续旋转爆震波流场特征主要包括爆震波、斜激波、三角形可燃气体区、可燃气与上一轮燃烧产物的接触面,爆震波面可抵达燃烧室顶部,但受到喷注面板阻挡,只在下侧膨胀。当燃料在下游喷注时,基本流场特征与燃料在喷注面板喷注时相同,但高压爆震燃烧产物可沿轴向两侧膨胀,在两侧都形成了斜激波。通过燃料喷注位置可控制爆震燃烧放热区位置,但对流场结构特征和传播过程影响不大。对吸气式条件下连续旋转爆震波进行了三维数值模拟,分析了起爆过程,发现初始热射流不在反方向上引起爆震波时,起爆过程更简单,从点火到形成稳定传播的爆震波时间间隔更短;稳定传播后的爆震波头个数跟点火区个数无关,连续旋转爆震波在起爆过程中具有自调节能力。在超声速来流条件下,所形成的爆震波仍可持续旋转传播,但高压爆震燃烧产物会影响到进气过程,在来流加速段内引起了正激波。对比研究了来流总温、燃烧室半径、放热区位置的影响,发现来流总温较高时,加速段内的正激波位置更靠下游,平均出口压力更低、速度更高;燃烧室半径越小,连续旋转爆震波受曲率的影响程度较大,内、外壁面处的压力峰值差别越大;当爆震燃烧区域位于扩张段内时,燃烧室平均压力降低,加速段内的正激波位置更靠下游。在吸气式条件下试验实现了连续旋转爆震波稳定工作,传播频率达5kHz,平均传播速度为1600m/s。保持混合气当量比不变,爆震波传播速度随推进剂流量的增加略有上升,且传播过程的稳定性增大。通过三维数值模拟,对比研究了来流总温、燃烧室半径、反应区构型、来流加速段面积比和喷管面积比对发动机性能的影响。发现来流总温较大、放热区位于扩张段内、来流加速段面积比较小时,来流加速段内的正激波位置更靠下游,激波强度更大,引起的总压损失更大,发动机性能降低;燃烧室半径通过改变入口面积对流量和推力产生影响,但比冲性能变化不大;喷管面积比较大时,燃烧产物得到进一步膨胀加速,发动机性能有所提升。
【关键词】：吸气式旋转爆震 起爆 流场结构 性能分析 数值模拟
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：V231