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脉冲爆震发动机DDT过程数值模拟研究

作　者: 张宇
导　师: 武晓松
学　校: 南京理工大学
专　业: 航空宇航推进理论与工程
关键词: 脉冲爆震发动机爆燃转爆轰点火位置点火能量障碍物间距障碍物阻塞比热点
分类号: V235
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 140次
引　用: 3次
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内容摘要

脉冲爆震发动机是一种利用脉冲式爆震波产生推力的新概念发动机,相对于现有的推进系统在热力循环效率、比冲、工作范围、结构简单性、推力大小可改变性等方面均具有潜在优势。有效点火是脉冲爆震发动机的关键技术之一,直接起爆需要的能量不实际,因此利用小的点火能量,在较短的距离内爆燃转爆震(Deflagration DetonationTransition,简称DDT),更具有应用前景。目前国内外有关DDT过程的研究主要为实验研究,本文采用数值计算手段,模拟研究了脉冲爆震发动机的DDT过程,主要工作包括以下两部分:第一部分:模拟了不同点火位置(点火位置分别为0.5倍管径、1倍管径、1.5倍管径)、点火能量(点火区直径分别为5mm、6mm、7mm)方案下脉冲爆震发动机DDT过程。数值计算方法选用耦合显式算法,化学反应模型选用单步氢气/空气化学恰当比反应的Arrhenius动力学模型。模拟结果表明当点火器位置距离爆震管头部一倍管径处时DDT距离最短,点火能量在所模拟的范围内越高越好。第二部分:模拟了不同障碍物间距(间距分别为0.5倍管径、1倍管径、1.5倍管径)、障碍物阻塞比(阻塞比分别为0.3、0.4、0.5)方案下脉冲爆震发动机DDT过程。模拟结果表明,障碍物的存在增加了爆震室内部湍流;流场存在一个伸缩扩张的过程利于火焰褶皱;障碍物拐角处激波反射聚交与火焰相互作用,大大提高该区域的反应速率,促成局部能量的快速释放,产生热点。当障碍物间距为一倍管径时爆震起爆距离最短,随着障碍物阻塞比的增加爆震距离也减小。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-7
1 绪论  7-16
  1.1 课题的研究背景和意义  7-8
  1.2 脉冲爆震发动机的发展历史  8-9
  1.3 脉冲爆震发动机的研究现状  9-14
    1.3.1 试验研究  9-10
    1.3.2 数值研究  10-14
  1.4 脉冲爆震发动机研究面临的挑战  14-15
  1.5 本文的主要研究工作  15-16
2 脉冲爆震发动机的工作原理  16-21
  2.1 爆震的物理基础  16-18
    2.1.1 爆震波与爆燃波的区别  16
    2.1.2 爆震波的结构  16-18
  2.2 爆震波传播中基本关系式  18-19
  2.3 脉冲爆震发动机的工作过程分析  19-21
3 数值方法  21-25
  3.1 基本假设  21
  3.2 数学模型  21-24
    3.2.1 控制方程组  21
    3.2.2 湍流模型  21-22
    3.2.3 化学反应模型  22-23
    3.2.4 壁面函数  23-24
  3.3 计算方法  24-25
    3.3.1 求解方法  24
    3.3.2 初边值条件  24
    3.3.3 点火能量选择  24-25
4 点火对DDT过程的影响研究  25-45
  4.1 引言  25
  4.2 计算模型及网格  25-26
  4.3 不同点火位置的DDT过程模拟  26-33
    4.3.1 模拟结果  26-31
    4.3.2 点火位置对DDT过程的影响分析  31-33
  4.4 不同点火能量的DDT过程模拟  33-44
    4.4.1 模拟结果  33-42
    4.4.2 点火能量对DDT过程的影响分析  42-44
  4.5 小结  44-45
5 管内障碍物对DDT过程的影响研究  45-67
  5.1 引言  45
  5.2 计算模型及网格  45-46
  5.3 不同间距障碍物的DDT过程模拟  46-57
    5.3.1 模拟结果  46-53
    5.3.2 障碍物间距对DDT过程的影响分析  53-57
  5.4 不同阻塞比障碍物的DDT过程模拟  57-65
    5.4.1 模拟结果  57-62
    5.4.2 障碍物阻塞比对DDT过程的影响分析  62-65
  5.5 小结  65-67
6 总结与展望  67-69
  6.1 主要结论  67-68
  6.2 研究工作展望  68-69
致谢  69-70
参考文献  70-73

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