FLUENT脉冲爆轰发动机的DDT过程数值模拟(2)
5.5 小结 46
结 论 48
致 谢 50
参 考 文 献 51
1 绪论
1.1 课题研究背景及意义
随着航空航天技术的发展，发展高性能的推进系统已经成为各国研究的重要目标。所谓高性能，包括能达到理想速度，拥有较低的耗油率和较高的推重比，还包括具有广泛的工作范围，即推进系统能在高空，甚至在大气层外工作，并且能以超声速、高超声速飞行。为了实现这些性能要求，脉冲爆轰发动机受到了人们的关注，并由此对爆轰机理和脉冲爆轰技术开展了广泛的研究。
脉冲爆轰发动机（Pulse Detonation Engine，简称PDE）作为一种利用脉冲爆轰推进的新型发动机，其主要工作过程包括：进气、点火起爆、爆轰波的传播和排气过程。其中起爆过程，主要有两种形式，直接起爆过程和燃烧转爆轰过程。由于直接起爆需要巨大的点火能量，本文的起爆过程主要指爆燃转爆轰（Deflagration to Detonation Transition，简称DDT）过程。目前对DDT过程的研究，主要还是基于试验的手段，也有一些数值模拟方面的研究，但对于DDT过程还是没有完全搞清楚。对于脉冲爆轰发动机来说，起爆过程在其热力学循环中占有很重要的地位，而DDT过程又是起爆过程的关键，并且其还对脉冲爆轰发动机的热循环效率有很大的影响，因此对脉冲爆轰发动机的DDT过程进行数值模拟，对将脉冲爆轰发动机从理论应用到实际具有很重要的意义。
1.2 脉冲爆轰发动机概念
脉冲爆轰发动机是一种利用脉冲爆轰波产生周期性冲量的非定常推进系统[1]。图1.1表示脉冲爆轰发动机的循环过程，主要包括：清除已燃气体；填充可燃混合气体；爆轰管封闭端点火起爆；缓燃波转化为爆轰波；爆轰波稳定传播；爆轰波传出爆轰管；膨胀波传入爆轰管，高温高压燃气排出爆轰管；隔离气体进入清除已燃气体，开始下一循环。
图1.1 PDE的循环过程
与传统的航空航天涡轮发动机相比，脉冲爆轰发动机拥有众多优势：
（a）由于不需要涡轮做功，不需要助推器起飞，其结构简单、质量轻、推重比高、耗油率低；
（b）相比传统发动机的等压燃烧（热效率为27%），爆轰燃烧接近等容燃烧（热效率为47%)，所以其热循环效率高；
（c）工作范围宽，图1.2表示脉冲爆轰发动机与其他各种吸气式发动机的比冲及工作范围比较，与其他发动机相比其比冲较大，且工作范围为飞行高度 公里，马赫数 ；
（d）由于爆轰速度高，能快速带走燃烧产物，导致其对环境污染减小；
图1.2 各种吸气式发动机比冲及工作范围图
由于脉冲爆轰发动机具有以上众多的优点，因而具有广泛的应用前景[2]。如图1.3所示，其可以给引诱机、隐形飞机、无人机、巡航导弹、靶机提供动力，甚至还可以用于航天飞机、太空飞行器作为其动力装置，脉冲爆轰发动机的发展注定会对航空航天技术带来巨大的变革。
图1.3 脉冲爆轰发动机的应用前景
1.3 研究概况及关键技术
1.3.1 PDE的研究概况
20世纪40年代PDE概念被首先提出来，随后曾一度得不到认可，在80年代中期，研究得以恢复，90进入全面发展阶段。1940年，德国的Hoffmann[3]在他的一篇关于间歇式脉冲爆轰发动机的文章中，首先提出了脉冲爆轰发动机的概念，他在间歇爆轰方面做了一些试验研究。1957年，通过对脉冲爆轰发动机进行单次或多次的循环试验，美国密歇根大学的Nicholls对其可行性进行了研究，试验中利用氢气空气混合物，获得最大频率为35Hz时，比冲达到2100s，单位推力为1088kg，壁温为683K。1962年，Krycki使用与Nicholls相似的设备，根据试验数据没有形成爆轰波，并由此提出PDE作为推进系统没有前途。根据Krycki的试验结果，之后大多数对PDE的试验研究都处于搁置状态。