脉冲爆震发动机性能分析及调节特性研究

【摘要】： 本文首先分析了理想爆震循环、Humpmy循环和Brayton循环之间的差异，在此基础上，针对理想脉冲爆震发动机(PDE)非稳态工作特性，引入了代表参与爆震循环工质与流入发动机内总工质比的循环系数概念，研究了理想脉冲爆震发动机的推进性能，并与理想传统稳态推进发动机进行了性能对比。对于以部分充填状态工作的脉冲爆震发动机，本文也建立了计算其理想性能的部分充填爆震循环模型，结果表明，当隔离气体参与热力循环过程时会降低发动机总循环热效率，但这种工作方式可以有效增大脉冲爆震发动机的推进性能。 由于理想脉冲爆震发动机性能模型只能计算一定工况下发动机所能达到的最大性能，因此，为了评估脉冲爆震发动机实际推进性能，本文总结了计算直管脉冲爆震发动机实际推进性能的完全充填和部分充填性能模型，利用该模型分析了使用C_8H_(18)-Air和H_2-Air两种燃料系统时火箭式脉冲爆震发动机的性能趋势，并与理想性能趋势进行了对比。同时，本文在自行研制的脉冲爆震发动机试验器上对模型的正确性及适用范围进行了验证，结果表明，归一化部分充填模型在适用性范围上比完全充填直管爆震室性能模型更广。当直管脉冲爆震发动机后加装收敛扩张喷管(CD喷管)后，其内部流场与直管PDE有很大不同，针对其工作特点，本文建立了计算其性能的状态均一化排气模型，其计算结果与试验结果相符，通过引入一定的修正形式，模型可以比较准确地预估带CD喷管的脉冲爆震发动机性能。 在火箭式脉冲爆震发动机零维性能计算模型的基础上，通过引入进气道和泄气旁路，建立了吸气式脉冲爆震发动机(APDE)零维性能计算模型，利用此零维模型分析了各种工作条件变化对亚音速和超音速发动机性能的影响，分析了吸气式脉冲爆震发动机性能调节特性：节流特性和变频特性，给出了吸气式脉冲爆震发动机可能的调节规律。 最后，针对脉冲爆震发动机零维性能模型的局限性，本文建立了反映脉冲爆震发动机实际工作过程的一维仿真性能模型，通过对脉冲爆震发动机单循环工作过程仿真，验证了该性能模型的正确性。基于此模型，仿真计算了两种结构形式的吸气式脉冲爆震发动机：带旁路分开排气APDE和带旁路混合排气APDE。结果表明，在进气道后引入泄气旁路可以有效降低爆震室工作状态变化对进气道性能的影响，同时可以降低进气道后声学腔体积的要求；当泄气气流在混合室内与爆震室燃烧排出的高温产物参混降低了排气温度和速度，在合理的发动机结构设计下，可以明显提高APDE推进效率。