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原理模型脉冲爆震发动机性能参数
的实测与分析3
西北工业大学 范 玮33 严传俊 何立明 汪林全 雷恒仁
【摘要】 应用爆震波理论对原理模型脉冲爆震发动机(PD E) 中的压力及平均推力作了理论分析,
且按实际给定参数进行了计算。并在自行研制的模型脉冲爆震发动机上对这两个参数进行了实
测。对理论值与实测值的比较分析表明, 该原理模型PD E 能产生脉冲爆震波和推力。
主题词: 脉冲爆发 发动机 压力 推力
分类号: V 237
() ,
, ; , ; ( ), ( s ),
,
脉冲爆震发动机PD E利用脉冲式爆震波产生推力。这种发动机热循环效率高燃料消耗
率低经济性好结构简单可靠性高推重比大大于20比冲高可达2000 以上工作范
围广引起发达国家的广泛重视[1 ] 。燃烧室中穿越爆震波的压比P 2
.
压力) 是表征爆震波的特征量, 是否产生了爆震波, 从P 2
.
P 1(爆震波后的压力.环境v
P 1 的值就能判断出来, 而平均推力F
的大小将直接关系到该推进系统的有效性。
1 爆震波特性的理论分析
考虑在等截面管中传播的一维爆震波, 将参考坐标系取在爆震波上, 因此研究的即为定常
爆震波[2 ] 。跨越爆震波的各守恒方程及状态方程为:
2)V 2 2)V 2
Q1V 1= Q2V 2 , cp 1T 1+ (1.
1+ q = cp 2T 2+ (1.
2
QQ, 压
1
,
代表已燃
一端开放的爆震腔中
力分布如图所示。在管子封闭端激发爆
爆震波可
看成是强激波加薄的火焰面强激波用来
激波
P 1+ 1V 2
1= P 2+ Q2V 22
, P 1= 1R T 1 , P 2= 2R T 2
下标“1”代表未燃气体,
Q
下标“2”
气体。
在一端封闭、
震波, 爆震波向管子开口端传播。
触发燃烧, 薄的火焰面用于释放能量。
以爆震速度V 1 相对于未燃气运动, 提高未图1 爆震管内的压力分布
燃气体的压力和温度。激波后未燃气体有
1996 年9 月收稿; 1996 年11 月收到修改稿。
3本文系国家自然科学基金, 编号: 59386027 和863 计划资助项目, 编号: 86322222124
33 西安市西北工业大学航空动力与热力工程系 710072
第 4 期原理模型脉冲爆震发动机性能参数的实测与分析3 1 1 4
一个稳定高压区(P), 称为Von N eum ann 尖峰, 用于点火延迟。当化学反应开始以后, 就向气
s
体加热, 使气体温度上升, 压力下降, 加热区的厚度决定于完成燃烧反应所需时间。状态2 的温
度、压力与密度远高于状态1。状态2 的压力与密度低于Von N eum ann 区的数值, 但温度高于
Von N eum ann 区的数值。在闭端与加热区之间有一个膨胀区, 以保证闭端气流壁面法向速度
为零。闭端压力P3 远低于爆震波后压力P2。
早在1899 年,Chapm an 提出定常爆震波发生在上Chapm an-Jouguet (即上C-J) 点上,
故此类爆震波通常称为C-J 爆震, 它的一大重要特性就是“ 已燃气体以状态2 的音速离开爆
震波”, 即爆震波相对于已燃气体的马赫数Ma2= 1, 亦即V2= a2。对于穿越理想气体的C-J
爆震波的压比及温度比可由连续、动量、能量及状态方程表达为:
P1=(1 + 1Ma12) .
P2
.(1 + 2) (1)
MM
T2
.m1) (M1) (1.
1) (1.M1)2(1 + 2)2 (2)
T1= (m2
.Ma 21Ma 22
.M.MMa1 为爆震波相对于未燃气体的马赫数。在爆震管中计算流体特性所要求的一个重要参数是
已燃气体相对于爆震腔壁的速度V2c或马赫数Ma2c。因为考虑的是
T2) ]1.2-1C-J 爆震, 则Ma2= 1, 并
考虑燃料.空气射入的初始速度分量为V1) [ (m2
.m1M1
.M1) .
) (
0, 可得:
2) (T1
.Ma2c =(Ma0+ Ma
(3)
式中0 , P3 :
P3
.P1= (P2
.P1)
: Fv
= ∫
为未燃气体相对于爆震腔壁的马赫数。因此可由下式求得
{1 -
平均推力计算式[1]
Ma
(M-1)
2
.
2 (4)
[(M2-2]Ma2c}2M
t
c
F(t)dt tc = F(td + tr) .(5)
tc
0
式中: F(t) 为瞬时或不稳定推力, F 为在爆震和膨胀时间内作用的有效峰值推力, F≈ (P3-
P1)A,A 为有效作用面积, tc= td+ tr+ tf 为一个循环的时间, t= L (管长) .
(V1+ V0) 为爆震波
aV0 为混气填充所需时间。由(5) 式可看出, 加大
d
传播时间, tr= L.
2 为膨胀波传播时间, tf = L.
有效推力壁面积A, 增大点火能量以便提高初速V0, 均能提高F
v
。
利用(1) 及(4) , (5) 式可写成:
2M(M-1)
2
.
2
1 + 1Ma 1 2-1
td + tr
(6)
F
v≈ AP1
1 -Ma2c 1
+
M22 M2
tc
由以上各式均可看出, 若要从理论上确定跨越爆震波的压比P2
.
M1
P1 及平均推力, 一个必
要步骤就是要估算试验中所用预混气的理想爆震速度V1 及Ma1。由质量守恒方程可得:
V1= 2V2
.Q1= 2a1= 1)(2R2T2) 1.(7)
Q2
.Q(Q2
.QM2
为了确定V1, 需要先假定
QP2 和T2, 计算给定条件下的平衡成份, 再进行迭代求解, 计算
P2 和T2。迭代收敛后用其值通过(7) 式求得V1[2, 3] 。
P1 与F
在求解V1 的过程中, 计算P2
.
v
时所需的混和物反应前后的特性参数, 如1、2、m1
及m2 等, 均可同时求出, 再利用上述诸式便可顺利求得P2
.
v
。
MM
P1 与F
为考虑实用性和安全性, 本试验采用的燃料为汽油, 氧化剂为压缩空气, 且按化学恰当比
配制, 进气初速V0= 1715m .
s, 点火频率(不同于爆震频率) 为60 Hz, P1= 01101325M Pa(因
管子一端敞口)。爆震前后的混气均按理想气体处理, 可算得理想爆震波速度V1= 189812m .
P1= 19183, F
s,Ma1= 518, 爆震波前后的压比P2
.
v=31822 N。
2 试验测试系统和实测结果与理论值的比较
本试验测试系统原理图如图2 所示。采用压电晶体传感器测量动态压力P, 电阻应变式推
2 1 4 航空动力学报第 12 卷
力传感器测量瞬态推力F(t)。实测结果如图3 和图4 所示。动态压力P 可看作是在管中传播
图2
P2
,
,
见,
: P= 11, 即
P2
.P1 = 1Fv≈
31N
, , 这
: 首
先, V1
, ,
, 1 ,
脉冲爆震试验测试系统
的爆震波在该测试点上同一时
刻的压力叠加。可近似地将其
峰值取作。由于电阻应变式
推力传感器频响较低故测试
结果不能准确地反映出瞬态推
力的尖峰脉冲而是在频响时
间内的平均值。由测试结果可
本原理试验模型产生的是
准稳态脉冲爆震。试验测得结
果为2m ax 86 M Pa1836, 平均推力
234 。对比理论值与实测
值发现两者尚有一些差距
主要有以下几方面的原因
在求解爆震波速度时没
有考虑两相流的因素忽略了爆震燃烧产物的离解并且把爆震前后的混气当作理想气体处
理。所以计算所得只是理想爆震波速度提供了Ma所能达到的最佳上限值指明了提高性能
图3 爆震腔内某点压力的变化曲线图4 PD E 的瞬态推力变化曲线
的方向, 但实际速度定小于理想速度; 其次, 计算基于“ 点火完毕即形成爆震波”的假设, 实际情
况要经过一段过渡, 才能由爆燃转变成爆震, 基于这一假设计算所得的Ma1 也偏大。
结束语 从模型脉冲爆震发动机原理性试验可见, 本试验模型成功地产生了脉冲爆震波
和推力。采用的脉冲爆震发动机平均推力的计算公式[2 ] 所计算的PD E 平均推力与实测值基本
符合, 这也证明了该公式的近似较合理, 可用于今后的研究中
[ 本帖最后由 qxwas123 于 2006-12-18 17:51 编辑 ] |
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发表于 2006-7-10 22:41
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