脈沖爆轟發(fā)動機中汽油基凝膠燃料爆轟特性研究.pdf

1、作為一種兼具固體燃料和液體燃料優(yōu)點的新型燃料，凝膠燃料在未來推進系統(tǒng)中有著廣闊的應用前景。與緩燃波模式工作的推進系統(tǒng)相比，爆轟波模式工作的推進系統(tǒng)具有更高的熱效率。將凝膠燃料與脈沖爆轟發(fā)動機（Pulse Detonation Engine，縮寫為PDE）相結(jié)合，可以充分利用兩者的優(yōu)勢，促進推進系統(tǒng)性能的提升。然而，凝膠燃料表現(xiàn)出的不同于液體燃料的非牛頓流體特性與燃燒過程對其爆轟性能的影響尚不十分清楚。因此，開展凝膠燃料爆轟特性及其在脈沖

2、爆轟發(fā)動機中應用的研究，對加深凝膠燃料爆轟機理的認識和拓展脈沖爆轟發(fā)動機的應用范圍具有重要意義。本文針對PDE中汽油基凝膠燃料的爆轟問題開展了凝膠燃料爆轟的理論建模與流場數(shù)值仿真，燃料制備、霧化及爆轟實驗等研究工作，揭示了PDE中汽油基凝膠燃料的爆轟特性，主要內(nèi)容如下:
　　1)建立了考慮凝膠燃料非牛頓流體特性的非金屬二氧化硅/汽油凝膠燃料-氣相氧化劑兩相爆轟模型，采用守恒元與求解元方法(Conservation Element

3、and SolutionElement Method，簡稱為CE/SE方法)對控制方程進行離散并編制了相關數(shù)值計算程序。數(shù)值研究了爆轟管內(nèi)二氧化硅/汽油凝膠燃料的兩相爆轟過程，分析比較了凝膠劑含量、液滴初始粒徑與氧含量等因素對凝膠燃料爆轟參數(shù)的影響。結(jié)果表明:爆轟管內(nèi)凝膠燃料爆轟過程與液態(tài)燃料的爆轟過程類似，但反應過程中凝膠燃料液滴的表觀粘度是變化的，其表觀粘度比液態(tài)汽油液滴的粘度高出1～2個數(shù)量級。凝膠燃料成功起爆所需的最低初始點火強

4、度隨凝膠劑含量增大而增大，但不同凝膠劑含量下的爆轟壓力等參數(shù)無明顯差異。存在液滴初始粒徑上限使得凝膠燃料爆轟管內(nèi)形成自持傳播的爆轟波。爆轟管內(nèi)填充氣體氧含量增加，當量比填充條件下的能量密度增大，二氧化硅/汽油凝膠燃料能夠形成爆轟所需的初始點火強度降低，爆轟強度增大。實際工程應用中，可考慮適當提高爆轟誘導段的氧含量來加速爆轟形成。
　　2)建立了多個包括進氣管泄壓旁路在內(nèi)的二氧化硅/汽油凝膠燃料預爆轟PDE模型，實現(xiàn)了不同直徑和初始

5、填充氣體氧含量預爆轟管下的預爆轟PDE爆轟流場的數(shù)值模擬，并分析了不同預爆轟管條件對預爆轟PDE中爆轟波傳播時間的影響。數(shù)值研究了預爆轟PDE主爆轟管進氣管內(nèi)的反壓傳播過程，提出采用進氣管泄壓旁路來改善進氣管內(nèi)反壓特性的初步設想并進行了相應的數(shù)值驗證。結(jié)果表明:爆轟波在預爆轟管中的傳播時間對其在預爆轟PDE內(nèi)傳播的總時間起決定性因素。進氣管泄壓旁路的存在使得進氣管內(nèi)反傳壓力峰值與回流速度峰值均降低，進氣管內(nèi)填充氣體受燃氣回流污染影響變小

6、。
　　3)建立了鋁粉/二氧化硅/汽油凝膠燃料-氣相氧化劑混合物三相爆轟模型，推導了控制方程的雅克比矩陣，編制了基于CE/SE數(shù)值方法的計算程序。數(shù)值研究了爆轟管內(nèi)鋁粉/二氧化硅/汽油凝膠燃料的多相爆轟過程，分析了爆轟過程中含鋁凝膠燃料液滴的反應過程和爆轟燃氣排放的瞬態(tài)特征，比較了鋁粉含量和當量比對凝膠燃料爆轟性能的影響。研究結(jié)果表明:爆轟波作用下，含鋁凝膠燃料液滴變化以剝離為主，燃料液滴中鋁顆粒隨液滴剝離彌散于爆轟管內(nèi)并參與反應

7、，累積在最后階段反應的鋁顆粒較少。爆轟波掃過之后爆轟管內(nèi)形成低于初始密度的燃氣平臺密度。凝膠燃料爆轟燃氣排放過程可劃分為爆轟附著膨脹、燃氣“壅塞”膨脹和膨脹減弱等三個典型特征階段。與不含鋁凝膠燃料相比，含鋁凝膠燃料能量密度大，其爆轟形成所需的初始點火強度降低。鋁粉質(zhì)量分數(shù)增大，當量比填充條件下凝膠燃料爆轟管內(nèi)爆轟壓力等參數(shù)與燃氣沖量均增大，燃料體積比沖增大，但燃料質(zhì)量比沖降低。0.5～1.2當量比范圍內(nèi)，當量比增大，爆轟壓力與爆轟波速度

8、等增大，爆轟燃氣沖量增大，但燃料比沖下降。
　　4)制備了納米二氧化硅為凝膠劑的汽油基凝膠燃料，并對其流變特性進行了實驗研究，分析了凝膠劑含量和鋁粉顆粒粒徑對凝膠燃料觸變性、剪切變稀特性、屈服應力等流變參數(shù)的影響。建立了二氧化硅/汽油凝膠燃料內(nèi)混式空氣霧化實驗平臺，實驗研究了噴射壓力對凝膠燃料霧化射流速度場的影響。研究結(jié)果表明:以納米二氧化硅為凝膠劑的汽油基凝膠燃料具有剪切變稀特性和部分可逆觸變性。相同剪切速率下，凝膠燃料表觀粘度

9、隨凝膠劑質(zhì)量分數(shù)增加而增大，含鋁凝膠燃料的表觀粘度比同等凝膠劑質(zhì)量分數(shù)不含鋁凝膠燃料的大。本文凝膠燃料內(nèi)混式空氣霧化噴嘴的霧化射流呈以噴嘴為頂點的三角形狀，并形成以噴嘴軸線為對稱軸的矩形核心射流區(qū)域，噴嘴出口附近核心射流區(qū)域內(nèi)存在相對較短的高速區(qū)域。凝膠燃料噴射壓力低于霧化空氣噴射壓力時，霧化射流的高速區(qū)域呈“倒Y型”或“倒V型”的速度分布，且其下游速度分布更均勻。凝膠燃料噴射壓力為0.2MPa、霧化空氣噴射壓力為0.3MPa典型工況下

10、凝膠燃料射流區(qū)域霧化液滴SMD介于68～121μm。
　　5)搭建了凝膠燃料爆轟實驗平臺，實現(xiàn)了多循環(huán)工況下二氧化硅/汽油凝膠燃料的燃燒轉(zhuǎn)爆轟過程。應用可調(diào)諧半導體激光吸收光譜技術對凝膠燃料爆轟燃氣沖量進行了間接測量，并分析了凝膠燃料爆轟燃氣沖量產(chǎn)生與燃氣排放的相互關系。研究結(jié)果表明:受爆轟波影響，凝膠燃料爆轟管出口處燃氣溫度、速度與密度均先陡峭上升，隨后在膨脹波作用下快速下降至各自平臺。爆轟燃氣排放后期，新鮮填充氣體與爆轟管內(nèi)殘

11、余燃氣混合使得燃氣溫度降低，密度增大。本文實驗工況下爆轟附著膨脹階段、燃氣“壅塞”膨脹階段和膨脹減弱階段爆轟燃氣動量對沖量的貢獻分別占總沖量的58.1％、18.7％和11.6％。
　　本文嘗試建立了考慮燃料非牛頓流體特性的汽油基凝膠燃料爆轟的數(shù)學物理模型，開展了PDE內(nèi)凝膠燃料爆轟的數(shù)值與實驗研究。研究結(jié)果表明:建立的汽油基凝膠燃料爆轟模型能有效模擬凝膠燃料的爆轟過程，為進一步研究凝膠燃料PDE提供了數(shù)值工具。研究過程中獲得的凝膠