本文選題：脈沖爆轟發(fā)動機　切入點：爆轟　出處：《南京理工大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：脈沖爆轟發(fā)動機(Pulse Detonation Engine,簡稱PDE)作為一種基于爆轟燃燒的新概念推進系統(tǒng),具有非常廣泛的應(yīng)用前景。目前針對PDE的理論與實驗研究均得了很大的進展,但是實現(xiàn)其工程化應(yīng)用還面臨著很多難題和挑戰(zhàn)。流場溫度、速度及燃?xì)饨M分濃度等參數(shù)的動態(tài)變化能夠更加準(zhǔn)確的描述PDE的整個工作過程,從而為PDE性能提升研究提供重要輔助作用。開展針對PDE流場參數(shù)的測試研究工作具有重要的工程應(yīng)用價值。激光吸收光譜技術(shù)作為一種非接觸式氣體在線測試手段,憑借其獨特的單譜線掃描方式、極快的響應(yīng)速度與極高的環(huán)境適應(yīng)性等優(yōu)點,成為PDE流場參數(shù)的有效診斷技術(shù)。本文基于激光吸收光譜技術(shù),針對無閥式氣液兩相PDE的管內(nèi)外流場參數(shù)開展了測試研究,對PDE的工作過程、沖量特性及燃?xì)鉁囟冉M分分布進行了診斷分析,對多光路非均勻流場二維重建算法進行了仿真研究。主要內(nèi)容如下:(1)針對變壓力環(huán)境下的吸收光譜特性進行了研究分析。在負(fù)壓環(huán)境下對8.77cm-1CO譜線進行了譜線參數(shù)標(biāo)定,為PDE燃?xì)饨M分CO測試研究提供更準(zhǔn)確的譜線參數(shù)。以CO2為特征氣體,對6330～6337cm-1波段譜線在高壓環(huán)境下的吸收光譜加寬特性進行了仿真與實驗研究。針對高壓環(huán)境下吸收光譜嚴(yán)重加寬且基線上移從而導(dǎo)致吸收率計算誤差加大的問題,提出了一種基于直接完整透射光的吸收率計算方法,從透射光信號中直接獲取光譜吸收率、線寬及譜線中心波數(shù)等關(guān)鍵光譜參數(shù),為激光吸收光譜技術(shù)應(yīng)用于PDE工作過程中高壓燃?xì)鈬娚潆A段的測試研究計算基礎(chǔ)。(2)根據(jù)雙譜線測試原理設(shè)計搭建了基于波分復(fù)用技術(shù)的光纖分布式PDE管內(nèi)燃?xì)鉁y試系統(tǒng),實現(xiàn)了流場參數(shù)測試的遠程控制,并對PDE的工作過程進行了診斷分析。采用7158.6/7444.35cm-1譜線對PDE管內(nèi)流場燃?xì)鉁囟扰cH20組分濃度進行了同步測試實驗。創(chuàng)新性地利用PDE工作循環(huán)過程中吸收光譜峰值變化與激光信號強度變化兩種方法對無閥式PDE填充進程完成所需時間進行判斷,并以此判斷填充系數(shù)對應(yīng)點火時間間隔。對不同填充系數(shù)條件下的發(fā)動機爆轟效果進行測試研究,分析穩(wěn)定爆轟形成所需填充系數(shù)條件。當(dāng)前實驗條件下,當(dāng)填充系數(shù)大于或等于84%時PDE管內(nèi)可形成穩(wěn)定爆轟,而填充系數(shù)小于等于76%時PDE管內(nèi)的燃燒方式為爆燃,并未形成穩(wěn)定爆轟;對PDE工作過程中燃?xì)鉁囟燃癏20氣體濃度變化情況進行了同步監(jiān)測,并對PDE從爆轟形成傳播、高溫高速燃?xì)鈬娚�、廢氣排放及燃料氧化劑填充的整個工作過程進行了分析研究;采用4338.77cm-1吸收譜線對不同工況下CO氣體濃度的變化情況進行監(jiān)測,研究不同燃料當(dāng)量比對PDE工作過程的影響。在燃料當(dāng)量比1.09～1.31范圍內(nèi),當(dāng)量比對PDE工作循環(huán)前期的爆轟形成傳播及高溫高速燃?xì)馀欧烹A段的影響要低于管內(nèi)緩燃效應(yīng)的影響。(3)基于吸收光譜技術(shù)對PDE沖量特性進行了分析研究。根據(jù)雙譜線測溫法及多普勒測速法分別對PDE管口處燃?xì)鉁囟燃八俣乳_展了測試研究工作,根據(jù)動量原理計算燃?xì)鉀_量,實現(xiàn)了PDE沖量的間接測量,獲得了PDE單個工作循環(huán)過程中的燃?xì)饷芏取_量及排氣質(zhì)量等燃?xì)馀欧艆?shù)的變化情況。當(dāng)前實驗條件下,單次爆轟循環(huán)過程中PDE產(chǎn)生的總沖量為1.87N·s,其中燃?xì)鈩恿控暙I的部分占總沖量的69.7%。爆轟燃?xì)鈩恿繉_量的貢獻在爆轟附著膨脹階段、壅塞膨脹階段、膨脹減弱階段及緩燃階段分別占總沖量的53.0%、27.8%、6.7%和12.5%,相應(yīng)的燃?xì)馀欧刨|(zhì)量占總質(zhì)量百分比分別為17%、29.6%、16%和37.4%,緩燃階段所產(chǎn)生的沖量要遠低于爆轟附著膨脹及壅塞膨脹階段所產(chǎn)生的沖量。(4)針對PDE管外流場邊界不確定且實時變化的特點,引入單光路非均勻流場測試技術(shù),對PDE管外非均勻流場燃?xì)鉁囟燃癏20濃度分布情況進行了測試研究。采用CE/SE算法對PDE管外流場分布情況進行了數(shù)值仿真研究,并以此建立兩段式矩形分布模型、考慮溫度邊界效應(yīng)的梯形分布模型及高斯分布模型三種管外流場分布模型假設(shè),并通過誤差分析選取梯形分布模型開展PDE管外非均勻流場參數(shù)測試研究。基于單光路非均勻流場測試原理選取四條特征吸收譜線(7170.28cm-1 7170.28cm-1 7185.60cm-1和7444.35cm-1),利用時分復(fù)用技術(shù)使選取的吸收譜線同時掃描PDE管外流場測試區(qū)域,并根據(jù)吸收譜線穿過測試區(qū)后的光譜吸收率建立非線性方程組,采用最小二乘計算方法進行求解,獲得了不同測試點處燃?xì)鉁囟燃癏20組分濃度在PDE單個工作循環(huán)過程中的參數(shù)變化情況�；赑DE管外溫度場分布重建結(jié)果計算當(dāng)?shù)芈曀?提出利用聲波與爆轟波在傳播速度上的顯著差異對PDE噪聲近遠場分界點進行判定的方法。(5)針對PDE管外流場溫度變化范圍較廣的測試條件,提出了應(yīng)用于多光路吸收光譜二維流場重建中的自適應(yīng)代數(shù)迭代重建算法(SAATA),并通過多種投影重建仿真,對SAATA算法在燃燒場二維重建中的可行性進行了考察。SAATA算法具有較高的溫度靈敏度,在300～3000K溫度范圍內(nèi)均能較好地實現(xiàn)溫度場與濃度場的重建;在溫度變化平緩與陡峭兩種情況下的流場重建中均能較準(zhǔn)確地捕捉到流場形狀、溫度峰值位置與幅值等流場特征;SAATA算法對測量噪聲靈敏度較低,在噪聲等級0.1%～10%范圍內(nèi)均具有較好的算法穩(wěn)定性。本文基于激光吸收光譜技術(shù)對PDE流場進行了診斷研究,研究結(jié)果直觀描述了PDE的整個工作過程。通過仿真對SAATA算法在PDE非均勻流場重建的可行性進行了理論研究,為PDE流場全方位診斷提供方案設(shè)計參考。本文研究對于推動激光吸收光譜技術(shù)在燃燒場診斷應(yīng)用方面具有非常重要的理論意義與工程價值。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN249;TK401

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本文編號：1702317