自吸气共振型脉冲爆震发动机总体研究

http://www.paper.edu.cn -1- 自吸气共振型脉冲爆震发动机总体研究1 姜日红，武晓松 南京理工大学机械工程学院，南京 (210094) E-mail：jrh203@yahoo.com.cn 摘 要：为了提高脉冲爆震发动机的工作频率，自吸气共振型脉冲爆震发动机模型被提出， 该新型发动机点火原理采用激波谐振聚焦点火方式，具有很高的点火及工作频率，许多专家 对此进行了实验研究和数值模拟，但由于谐振腔内的物理过程非常复杂，到目前为止没有一 套可靠的理论，有待于进一步研究。 关键词：自吸气共振型脉冲爆震发动机；实验研究；数值模拟 中图分类号：v 211．4 文献标识码：A 1．引言 脉冲爆震发动机（Pulse Detonation Engine）是一种利用脉冲式爆震波产生推力的发动机， 无论在结构成本还是在性能方面较之其它发动机都有明显的优势[1]。传统的脉冲爆震发动 机普遍采用的是点火器直接点火、阀门供气方式，受机械阀的限制，爆震频率一般不会高于 100Hz，因此产生的脉冲推力不平稳，并会产生一系列的负面作用，因此，寻求一种新的发 动机结构就显得十分迫切，自吸气共振型脉冲爆震发动机模型就是在此背景下提出来的。 2．自吸气共振型脉冲爆震发动机概念 自吸气共振型脉冲爆震发动机的物理模型首次提出于文献[2]。其结构如图1所示。自吸 图1 自吸气共振型脉冲爆震发动机的物理模型 1－谐振腔；2－环形喷嘴；3－反应器；pm－混合压力；GTT0－燃料流量 Fig1 The physical model of self-suck resonator pulse detonation engine 气共振型脉冲爆震发动机的工作过程普遍被认为如下：入流燃料先流入谐振腔预反应器中， 此时一方面对工作中的谐振腔进行冷却作用，一方面提高燃料本身的温度，后沿着反应器内 壁的环绕的管道进入喷射器喷射出，与来流空气混合，在反应器里进行预反应，产生大量活 化能较高的活化基，如氢气、一氧化碳等，经过预反应加热后的产物压缩减速后具有一定的 压强，从环形喷嘴流入谐振腔，形成超声速射流。超声速的射流在谐振腔中心相遇后碰撞形 成激波并向谐振腔内壁传播，与内壁碰撞反射后在焦点聚焦，形成高温高压点，从而点燃爆 震混合物，由于在焦点处具有很高的点火能量，足以直接起爆爆震波，而没有DDT（爆燃向 爆震转捩）过程。形成的爆震波在谐振腔里平稳发展并传播出去，同时对推力壁产生较大的 推力。爆震波离开谐振腔后产生的一系列膨胀波对谐振腔作用使得剩余燃气的温度、压力降 1本课题得到江苏省普通高校研究生创新科研项目基金（项目编号：CX07B-163z）的资助。 http://www.paper.edu.cn -2- 低，并将燃烧产物最终排出腔外，至此一个循环结束。 由于谐振腔内流场结构比较复杂，爆震波产生机理还不是很清楚，故谐振腔内实际工作 过程还有待于进一步研究。本课题将在接下来的研究中利用气动理论和CFD工具等其他合理 的手段和方法对谐振腔内工作机理进行研究。 3. 自吸气共振型脉冲爆震发动机的实验研究 由于没有相关理论来评估该发动机的性能效率，因此实验研究就成为了最直接最有效的 方法。Levin[2]等人进行了该PDE的实验研究，实验台如图2所示： 图2 实验台示意图 1－反应器，2－环形喷嘴，3－谐振腔，4－横隔膜，5－热压力室，6－支架，7－推力量 Fig2 Schematic representation of experiment 封闭的反应器里一开始就根据需要充满乙炔－空气混合物，横膈膜将其与环形喷嘴和谐 振腔分开。预反应后的产物经过环形喷嘴进入谐振腔中。试验中发现燃料混合物压强pm在 0.2～2Mpa之间时，高频爆震燃烧才可能实现。压力室用来作为燃烧产物的容器之外，还模 拟不同海拔高度下的压强pH。试验中Levin等人对环形喷嘴前面的压强pm、谐振腔压强pc、 推力P进行了监测。图3即为压强pm、pc和推力P随时间变化情况。 图3 压强pm、pc和推力P随时间变化图 Fig3 The pressure pm、pc and thrust p vs time 试验中，谐振腔出口直径为70mm，q＝FC/Ft,s＝4（FC为谐振腔出口横截面积，Ft,s为环 形喷嘴的横截面积），余气系数α=1。试验中发现谐振腔中的压强pc随着pm的减小而增大；瞬 时值pc/pm达到了6-10甚至更高；推力壁的推力也达到了2000N。 在试验中测得的谐振腔压强振荡频率为24～25kHz，这与该谐振腔几何结构在 2500-2600K燃烧产物温度下的声学频率范围相符。此外在相同的入口压力下，无反应气流在 谐振腔内同样伴随着高频振荡，尽管振荡的频率大约为7.5kHz，但与自振荡频率十分接近。 Keich[3]等人也对该新型发动机模型进行了实验研究。实验装置同样包含了预燃室和谐 http://www.paper.edu.cn -3- 振腔，预燃室用来混合与预燃富油混合物，谐振腔维持高频周期爆震。实验装置结构如图4 所示： 图4 实验装置结构图 Fig4 The configuration of experimental apparatus 在实验中选用的是碳氢混合物燃料，经过预燃烧后燃烧产物的化学当量比为2:3，其中 一氧化碳占14.5％，氢气占11％。实验产生了两种明显的燃烧模型结果，在大部分情况下， 可以在谐振腔下游观察到明显的湍流火焰，且燃料未充分燃烧，喷管出口处的压强振荡强度 也与爆震没多大联系，可以表明该燃烧模型并不包含爆震。另一种燃烧模型中，在谐振腔喷 管出流附近测得的压强振荡振幅超过了15％，刚开始认为该燃烧模型与高频爆震相一致，但 是从所拍的高速照片和对压强的时间变化的进一步的分析中并没有出现爆震时产生的激波， 而且，实验所测得的推力与爆燃所产生的推力水平十分接近，并没有得到明显的提升。 本课题针对上述实验装置所存在的问题进行修正，力求在通过理论和数值计算获得谐振 腔内爆震波产生机理的基础上，通过实验来验证本文所提出的机理的正确性。 4．谐振腔内无反应气流的实验研究和数值模拟 对于谐振腔内无反应气流的研究，Leyva对四种不同几何参数的谐振腔进行了实验和相 关的数值模拟，四种结构参数（单位：inch）如下： 表 1 谐振腔几何参数 Tab.1 Resonator configuration summary 结构 D d D/d 1 2.5 0.15 16.6 2 5.0 0.30 16.6 3 2.5 0.25 10.0 4 2.5 0.30 8.3 试验中发现，对于上面四种结构，谐振腔内的气流流动均表现出高频周期性自振荡，且 自振荡频率随着压力比Pin/Patm的增大而增大，但是频率增量变化率会随着压力比Pin/Patm 的增大而减小，结果如图5所示。在特定的情况下可以观察到压强振荡具有很大的振幅。 http://www.paper.edu.cn -4- 图5 无反应谐振腔的振荡频率 Fig5 Frequency data for cold flow resonator before non-dimensional analysis 研究中发现气流在谐振腔内后期的一段时间内之所以能产生振荡，是由谐振腔的几何结 构所决定的，如果几何参数设置不合理，所产生振荡的强度不够，那么将会被对流速度所掩 盖。图6是利用CFD进行二维轴对称数值模拟所得的谐振腔流场速度图（Pin/Patm＝4.5，Ta＝ 288.6K，Time＝350µs），可以明显的观察到射流进入谐振腔后在两侧形成了漩涡。 图6 流场速度图 Fig6 Predicted velocity field 5．结论 综上所述，自吸气共振型脉冲爆震发动机作为一种刚提出的新概念发动机，由于其特有 的工作原理和结构特点，使之与传统的脉冲爆震发动机相比具有很高的爆震频率，从而可以 大大提高发动机的性能，因此其具有广阔的应用前景。 由于其具体的物理过程相当复杂，目前对此发动机的研究大部分采用实验的研究方法， 且对实验要求比较苛刻。此发动机还处于理论模型提出阶段，离工程实际应用还有很长一段 时间，尚有许多关键性的地方有待进一步详细的研究。本课题正是在此研究背景下提出来的， 将针对该发动机的工作机理进行理论和数值研究，在此基础上完成发动机的实验样机模型的 建立，因此该研究具有非常重要的意义。 http://www.paper.edu.cn -5- 参考文献 [1] 严传俊,范玮.脉冲爆震发动机原理及关键技术.西安:西北工业大学出版社,2005 [2] V.A.Levin,J.N. Nechaev,A.I. Tarasov.A New Approach to Organizing Operation Cycles in Pulse Detonation Engines.HIGH－SPEED DEFLAGRATION AND DETONATION.2001（ADA406683）:223-238 [3] Keith R.McManus,Anthony J.Dean Experimental Evaluation of a Two-Stage Pulse Detonation Combustor.AIAA 2005-3773 [4] Ivett A.Leyva,Venkat Tangirala.Investigation of Unsteady Flow Field in a 2-Stage PDE Resonator.AIAA The investigation of self-suck resonator pulse detonation engine Jiang Rihong, Wu Xiaosong Dept. of mechanical engineering, Nanjing Univ. of science and technology, Nanjing PRC, (210094) Abstract In order to improve the operation frequency, the self-suck resonator pulse detonation engine was founded, the ignition principle of the new engine use the method of shock focus autooscillation, so, it possess high ignition and operation frequency, many experts have taken experiment and numerical simulation. However, the physical processes in the resonator cavity are very complicate，the reliable theory haven’t set up by now, require the further study. Keywords: self-suck resonator pulse detonation engine; experiment research; numerical simulation 作者简介：姜日红，女，1981年生，博士研究生，主要研究方向是脉冲爆震发动机研究。