（工程力学专业论文）脉冲爆轰发动机结构设计及原理验证.pdf

硕士论文脉冲爆轰发动机结构设计及原理验证 ab s t r a c t firs d y，th es t a 1 usofpul sed e 1 o n a t i on eng 1 n e (pd e) re sear c hwass u n n l a d ze d . thenthe p r o g r e s s o f fo e u a 让1 脚t i o n 、e x pen m ent o f l i qui dfu e 1 p d eandnum ericai s i mu l atio no f p d e、 v a sdes c ri b ed， ai th e s ame ti me， t h ed i ffic u lti eso f d e v e l oping p r a c t i cal p d e wereal sopoi n t e d o ut . t 卜 e a u th o r al 迢 l y z e d th e p 一ofp d ec y c le 胡d t h e 仃 a n s 而址 ngp r oce ssofdeto n a t i o n 、 v a v e int l l be， s u n ll 刀 a n zed t h e equat i o nsfor c al c ul ating 加p ul se andt hi l t of p d e . t 七 edi fl 七 r e nt foe l 、d e t o n at l on c ha 口c t e r p 二etersw ere c al cul a t e d by usi ng s t a n j a np ro gr aj . . t b ecol也 e c t l on be。 刀 e e n p d efi e q u e n cyand p aram etersoftu bewas ana 1 y ze d and a cuzv eds u 到 令 c e fo r desi gn o fl 0 0 0n t hr ust p d e、 v a si l l ust r a t e dino rdertop r o vi de som ei 侧 油 ru c ti o ntothe dssi gi l e lt b e a u t 】1 o r p r o pos e d th a t t h e s ti u c t u redssi gnofp d es h o ul d bec a n edo u t us i ngl hr c e -d ime ns i o n 习 desi gnso ft w 肚 e soh d 认 /o rks. t b e c o n d o l at in n 、 目 v an 切 gean d p ro c e s s o f t hr e e 一mensi o n a l d es i ，werei n t r o di lc e d p a rt i c ul ar lr.u s i n g up. t o- d own 阳 dd o wn一 to 一 介p m e t h o d s ， al l p a rt s o f p d em o d e l weredes i gne d . b y us in g 丘 苗 t e el eme ntm e th ed son w ar ec o s mo s w匕 rks， t h ech出 l g e o very 滋 ve andd e t o natio n 加 比、j n t e ns i tywereeval u at e d tom ake sure th atth eywin bewor ki n g sa fe lr.巧rt ual as se mblywas carrl edo utr e 沐 a t l y ino rder tor e d u c e errorsofdesi gnan d di spe1 tbe i n t e ri 七 r e nce axno ll g p ar ts a ft err e pea t l y as s e m b ly e x p e n m e n t ， th e se q u e nce and p a t b ofas sem bl y weree 引 泊 b l i s h e d . k in e m aticss i m u la t i o n was d olle by us吨 5 汕u l ation so ft w ar ec o s m o s m o ti 叽 助dth ere sultsin d l c a t e仕 以 t th edesi gn iss u c 以 治 5 加 1 . u s in g the m ix tu reof玩 胡d 仇， ane x pen m ent w a s doneina to beino r d e r tov al i 山 对 e t l l e id eaofi 画t i o n ， t here sultsofe x p e 找 m e 川还 d ic a te让 ia t t h e s c h e m e is p 0 s s l b le. k e y w o r d s :pul s ed e t onat i on e n gl n e ，3 d des i gn ，s o l i d w b rks ， 幻n e mati c s s i mu l ati o n 声明 本学位论文是我在导师的指导 下 取得的研究成果， 尽我所知， 在 本学位论文中， 除 厂 加以 标注和致谢的部分外， 不包含其他人已 经发 表或公布过的研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。 与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作 了明确的说 明。 研究生签名:年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学 位论文的电子和纸质文档， 可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内 容， 可以向 有关部门或机构送 交并授权其保存、 借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。 对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名: 年月日 硕士论文脉冲爆轰发动机结构设计及原理验证 1 绪论 1 . 1背景及意义 20世纪30年代末， 世界上第一架涡轮喷气式飞机试飞成功， 从此人类迈入 了喷气推进的新时代。 7 0年来，喷气式发动机从涡轮喷气发展到了涡轮风扇， 发动机的推力性能也得到了大幅度的提升. 1964年美国空军s r-71“ 黑鸟开 型高 空高速战略侦察机曾经创造了飞行马赫数3 2的纪录， 但人类探索高空高速飞行 的脚步并没有从此停止，2 0 04 年 11月美国国家航空航天局 ( n a s a)成功地进 行了 x 一 43a试验型无人驾驶超音速冲压式喷气飞机的第二次试飞，该机以 9. 9 马赫数的飞行速度开创了喷气飞机速度的世界新纪录。 x 一 3 a试验机的发动机与 此前一直使用的传统型喷气发动机在原理和结构上完全不同， 属于超音速嫩烧冲 压喷气发动机，它是利用燃料以 超音速燃烧的方式将化学能在短时间内释放出 来， 从而 产生推力; 本文所讨 论的 脉冲爆 轰发动 机( pul sed e to n a t i o n e n g l n e ) 结 构 上与超音速燃烧冲压喷气发动机有一定的相似性， 但它是利用爆轰而不是超燃产 生推力。 与燃烧相比， 爆燃与爆轰在能量的利用效率上更高，从而产生的推力更大; 更为可贵的一点是脉冲爆轰发动机能以双模方式工作， 即吸气式脉冲爆轰发动机 和脉冲爆轰火箭发动机(pd re ) ， 这就使得以脉冲爆轰发动机为动力的飞行器的 飞行速度具有很大的灵活性，能够实现在较宽的马赫数范围内进行调节: 此外， 脉冲爆轰发动机的尺寸小， 结构简单， 一般由 进气道、 爆轰室、 尾喷管、 爆轰激 发器、燃料/ 氧化剂供给和喷射系统及控制系统组成，没有涡喷、涡扇发动机所 具有的复杂旋转部件，易于研制和生产。 脉冲爆轰发动机所具有的极高推进性能将从根本上缩短军用飞机或导弹打 击地球上任意目 标的时间， 有着极其重要的军事战略意义。 鉴于脉冲爆轰发动机 在航空航天各领域内有着极高的应用价值， 世界各航空强国都在积极实施自 己 的 脉冲爆轰发动机研究计划。美国 n a s a 把它列为三大全新概念 r e v c o n ( r e v o l utio n ax y c o n c e p ts ) 之一， 加以 大力 发展; 美国 海军 研究 办 公 室 o n r 于1 9 99年5 月起动了为期5 年的有关脉冲爆轰发动机的核心研究计划和大 学多 学科 研究 创新计划 k 田 到 伽ultidis cipl ln 山 了u n ivers ityres earc h加ti ati ve prog r an l) 。 俄罗 斯中 央 航空 发 动 机 研究院( c l a m) 打算 把脉 冲 爆轰发 动 机 用 作 航空 航天 组合 动力 装置 和脉冲引 射器。 莫 斯 科 大学 (l m s u ) 和俄罗 斯科 学院 高 温研究所 ( wt a n)参加了 m i j r i计划。法国 e a l e m p in 公司的 aer 0 s 砂 订 幼 山 e m 周 限 人导弹部正在发展推力为4 9 0 一 g s0n的以 脉冲爆轰发动 硕士论文脉冲爆轰发动机结构设计及原理脸证 机为 动力装置的战术导弹川 。 1 . 2研究现状 目前， 国内外在脉冲爆轰发动机研究方面开展的工作主要围绕着下面几个方 面进行:燃料/ 氧化剂的起爆、 控制和保持;采用液体碳氢然料的p d e的实 验研 究; p d e 起爆方 式 及工 作 过 程的 数 值 模 拟 1211 习 141 5 . 而 在脉冲 爆 轰 发 动 机 的 结构设计 方面， 陈川161 首次 进 行了 探索， 初步搭建了 一个框架结构， 但鉴 于二 维平面设计的局限性， 其设计中仍存在着许多值得商榷的问题需要解决。 下面对 国内外在p d e研究方面开展的工作做一简单总结: ( 1)起爆问题:快速、可靠地起爆燃料/ 氧化剂的混合物是 p d e走向工程实 用化过程中必需要解决的一个重要问题， 因为高的工作频率和反复的点火是实现 p d e 正常工作的基本要求17118 。 可以 采用的 起爆方式有两种: 高能量强起爆(sdt， s h oc k tod etonationtr a l” iti o n ) 和弱点 火 条 件 下 燃烧 转爆 轰( d d t ， d e fl a g r a t io n tod e t o n 习 丈 i on t r 剐 l s i t i o n ) 。 采用燃烧转爆轰的方式实现燃料/ 氧化剂的起爆是近期 p d e研究的最佳方 案， 因为直接强起爆需要的能量很大， 在实验室条件下通常用药量为数克乃至数 公斤i nt当量的炸药才能实现，一般的火花放电 远达不到这么高的能量，而需 要高频点火的p d e不可能使用雷管或其它含能材料作为起爆源， 在这种情况下， d d t 变成了 几乎唯一的方式。 . 利用燃烧转爆轰实现燃料/ 氧化剂点火起爆的一个关键问题是如何缩短火焰 加速的 距离 和时间。 s c b a u e r 等人191 采用二维计算流体力学 程序对带有s he l k 亩 螺 旋的爆轰管在弱点火条件下的管内流场进行了数值模拟， 结果显示障碍物的尺寸 对于 燃 烧转 爆 轰的 发生 有 重要 影 响。日 本的hi d etoshi s h i 州 映 d a 等人 110 研 究了 使用热射流 ( fj i ， fl ame j etl 脚ti on) 来加速d d t 过程， 其核心思 想是 将点 火 支管中的燃烧产物喷射到主管中， 利用产物中的活泼自由基和离子基团引发主 爆 轰管中的化学反应， 结果表明在相同实验条件下使用传统的火花放电系统所需要 的火 焰加 速时间 是使用fj i 系统的3. 9 倍。 韩启祥等人11 在水平激波管中 采用预 馄的乙 炔2 氧气混和物研究了d dt 距离与可燃气体浓度、 初始压力、 扰流器之间 的关系，实验表明， 在富氧情况下可燃气体浓度下降或初始压力降低时， d d t 距离 明 显 增大. 而 安 装 扰流 器 后d d t 距离明 显 缩短。 黄 希桥等 人112 1 又 进 一 步 研 究了 扰流器的结构对d d t 距离的影响，实验表明当扰流器的堵塞比 为某一 特定 值时，其对管内的火焰加速效果最好， d d t 距离为最短。 (2 )采用液体碳氢燃料的 p d e 的试验研究: 目 前对于采用以 气体为燃料的脉 冲爆轰发动机的 研究己 经开展了 很多， 对其爆轰的过程有了一定的了解， 探索出 硕士论文脉冲爆轰发动机结构设计及原理验证 了许多提高点火效率的方法，但对于以 液体为燃料的 p de，由 于其涉及到两相爆 轰， 过程和机理都更加复杂， 对其工作特性的掌握还不够深入和全面。 而开展两 相爆轰的p de研究最具有现实意义，因为实际的飞行器不可能携带巨 大的储气罐 在大气中巡航。 鉴于此， 近年来国内外纷纷对采用液体为燃料的脉冲爆轰发动机 进 行了 研 究. c 城s to p h e r m . b ro phy等 人 113 1采 用 模 块 化的 方 法 设 计 了 以 j p 一 10 为 燃 料的脉冲爆轰发动机模型机， 通过快速改变模型机结构， 研究了点火位置对火焰 加速距离的影响， 表明对于特定的模型机， 点火最佳位置不是在头部， 而是在距 离头部某一 定 特定的 距离上. 黄希 桥 等人 114 1 在以 汽油为燃料、空 气为 氧化剂的 脉冲爆轰发动机内研究了其特征参数对p d e 性能的影响， 结果表明对于特定的脉 冲爆轰发动机，其爆轰的频率主要取决于燃料/ 氧化剂的充填速率。 张群等人115 1 在以 煤油为燃料， 空气为氧化剂的模型机中研究了提高起爆效能的问题， 证明 通 过提高 煤油温度及对爆轰管壁面加热能 够有效提高 起爆性能。 5 . m . f ro l ov， v.s. a 上 s e nov 等人 116 1 也开 展了 两相pde 模型 机的验证工作， 他们使用的 模型机分为两 段，主爆轰管是一段长度为l m 的水平直管，在其前端有一段长度为0. 7 m 、带有 电 火花和s he加n 螺旋的 细辅管。其启动过程是先将主爆轰管内 充填满燃料/ 氧化 剂的混合物， 然后开启主爆轰管上的电点火器，以z hz的频率释放电 火花引 燃混 和物， 此时管内只会发生燃烧而不会爆轰， 待燃料燃烧后释放的热量将管壁加热 到大约50时，关闭主爆轰管上的点火器，向头部的辅管充填燃料/ 氧化剂，同 时开启该段管路上的点火器， 燃烧的 火焰在s heu d n 螺旋的扰动下被加速到爆轰的 状态， . 而后进入到主爆轰室引发稳定的爆轰。 通过以上工作可以看出液体燃料相 比气体来说， 更难发生爆轰， 通常都需要对其进行预加热才能产生持续稳定的爆 轰。 (3) p d e 起爆 方 式 及工 作过 程 的 数 值 模拟: 牟 乾 辉等 人11 刀 应 用频 散 可 控 耗 散 差分格式求解具有化学反应项的e ul er方程，分别模拟了 三种不同 浓度的斑、 伍、 从混合物的热射流起爆过程， 结果表明对于2 : 1 :4的浓度能够快速建立链式 化学反应，实现起爆;而对于2 : 1 : 5 的浓度，则需要相对较长的时间及空间才能 起爆; 在浓度为2: 1 :7的情况下， 计 算域内已 经没有起爆的可能性了.于陆军等 人l 司 采用分裂格式处 理带化学反 应的 、 包 含甲 烷一 空 气详细化学反 应动力学 机理 的二维轴对称n 一 5 方程，对p d e的 工作过程进行了数值模拟， 模拟的结果给出 了 爆轰波在爆轰室及喷口的传播过程。 目 前在数值模拟方面开展的 工作主要还是以 气体燃料的爆轰为主， 尚没有在 公开的文献中发现有对以 液体为燃料的 脉冲爆轰发动机进行数值模拟， 而未来的 研究中更迫切的需要用两相爆轰的理论和数值计算对工程实践加以 指导. 综合以上的文献研究可以得出一些基本的结论:在 p d e的起爆问题上，基 硕士论文脉冲爆轰发动机结构设计及原理验证 本上只能采用d d t的方法; 采用液体碳氢燃料是未来p d e的发展趋势; 尽管国 内外在脉冲爆轰发动机研究方面已经开展了 很多工作， 但对于发展工程实用型的 p d e还有很多困难要克服。在理论方面，由于脉冲爆轰发动机的正常工作是建 立在周期性的间歇爆轰基础上， 其内部的流动为带有化学反应的强非定常流， 并 且常常伴随着与d d t的祸合，使得问题变得很复杂，目 前尚没有完整的理论对 此加以 解释。 工程上， 如何实现在最短的时间、 最小的距离内完成起爆， 如何使 液体燃料和氧化剂均匀混合， 怎样测量脉冲爆轰发动机的推力 ， 这些都将是 发展实用型 p d e需要解决的问题。 1 ， 3本文主要工作介绍 本课题的内容是在广泛阅读文献的基础上， 总结出一套较为完整的脉冲爆轰 发动机设计理论， 并在其指导下， 运用现代c a d i c a e工具和方法设计一台新型 结构的脉冲爆轰发动机模型机， 最后再通过实验对其起爆过程加以 验证。 主要的 工作有: ( 1 )分析脉冲爆轰发动机的热循环过程; (2) 分析脉冲爆轰发动机中波的作用过程; ( 3) 总结脉冲爆轰发动机结构设计的理论。以此理论为指导确定脉冲爆轰 发动机的性能参数 ( 推力、冲量、工作频率等) 和结构参数 ( 长度、内径等) ; (4) 运用soli d 认 七 rks 三维设计软件设计模型机的零部件; (5) 利用s ol id w o r ks的 插件软件c 0 s m o s 认 /o r ks对模型机主要零部件进行 有限元分析， 优化其结构: ( 6 ) 在s ol id w o rks 提供的虚拟装配空间中开展模型机虚拟装配试验，并进 行零部件的干涉分析、 装配序列规划以及运动学仿真; (7)组建热射流起爆实验装置，验证本文提出的起爆方案。 1 ， 4本文的创新点 ( 1) 首次将三维设计的思想和方法运用于脉冲爆轰发动机的设计，并充分 利用计算机辅助设计技术优化零部件: (2) 将虚拟样机的概念引入到脉冲爆轰发动机的设计中， 建立了p d e 模型 机的 虚拟样机， 并开展了 运动学仿真试验， 减少了因建立物理样机而带来的设计 成本: ( 3 )自 行组建了 热射流起爆实验装置，开展了 热射流起爆实 验研究。 硕士论文脉冲爆轰发动机结构设计及原理验证 2 脉冲爆轰发动机工作原理与循环分析 2 . 1爆轰理论基础 爆轰. 弓 谷 称爆炸， 是一个古老而又存在着各种未知的课题。 人类对于爆炸 的关注和利用由 来己 久，早在公元 8世纪，中国就出 现了火药的原始配方， 到 10 世纪己 经应用于军事。 宋史中有这样的记载: “ 娄乃令所都人拥一火 炮燃之，声如雷霆，震城土皆崩，烟气涨天外，兵多惊死者” 。上述文字描述了 爆炸导致的城墙和房屋的破坏以及对人的伤害。而西方国家直到 13世纪才开始 应用由阿拉伯传入到欧洲的火药知识， 比中国晚了300 5 0 0 年。 虽然中国古代文 明在爆炸领域做出了卓越的贡献，但近代爆炸力学的科学基础却是在 19世纪以 来由欧洲学者们完成的。瑞典人诺贝尔制成了硝化甘油系列的混合炸药，并于 1 865 年发明了雷管，实现了“ 爆轰” ，开创了爆炸应用的新时期。随着两次世界 大战的爆发以及爆炸的工业应用， 爆轰学科的理论基础逐步在形成。 人们逐渐认 识到爆轰的本质是伴有化学反应的冲击波， 前沿冲击波作用在含能材料上， 在高 温高压条件下诱导化学反应， 释放的能量支持冲击波继续推进， 力学效应和化学 效 应互 相 祸 合使 得 爆 轰 波的 结 构非 常复 杂. 19世纪 末， c h 叩 man 、 jo u g u e t 等 人 在实验研究气相爆轰的基础上，提出了cj理论，该理论将爆轰波中的化学反应 区缩为一个强间断面， 使得可以 用流体力学方法处理爆轰波， 而不必考虑化学反 应的过程。20世纪40年代，泽里多为奇、 j . von诺依曼和w. 杜林各自 独立地 提出了简单的爆轰波结构模型，称为z n d模型。该模型不像 cj 理论那样把爆 轰区简单地看成一个间断面， 而是认为爆轰波由没有化学反应的冲击波和连续的 化学反应区组成。 z n i ) 模型显然要比cj 理论更符合实际情况，但由于cj 理论 简 单 易 用， 所以 至 今 还 在 被 广 泛 使 用 11010 以 上所讨论的 均为单相物质的爆轰理论及其应用情况。 而到了2 0 世纪60年 代末， 由于工业爆炸灾害的 频繁发生和军事应用的推动， 人们逐渐对两相乃至多 相爆轰问题产生了浓厚的兴趣。 如美国在1 9 70年一1980年间有记载的粉尘爆炸 达 10 0 起;我国哈尔滨亚麻厂于 1 9 8 7 年发生了大爆炸事故，原因是亚麻纤维尘 埃悬浮在空气中发生了燃烧和爆炸;1966 年美国在越南战场上使用了 c b u 一 55 燃料空气炸弹， 这种新型的炸弹将液体燃料在空中抛撒开， 形成大面积云雾， 点 火后发生爆炸， 威力巨 大; 这些新的 爆炸现象引 起了广泛的重视， 也提出了 一 个 新的 课题 两相爆轰。 前面已 提到c j 理论和z n d模型的提出是基于气相爆 轰和凝聚态炸药的爆轰， 对于两相爆轰问 题不能简单的套用。下文将分别对 c j 理论、 z n d模型、两相爆轰的 理论作简单的介绍。 硕士论文脉冲姗轰发动机结构设计及原理验证 1 .c j 理论 许多实际问 题的研究不需要考虑爆轰反应区的细节， 通常可不计其厚度， 认 为炸药 微元在通过爆轰波阵面时瞬时完成化学释能反应， 并转变为热力学平衡的 爆轰产物。 爆轰波阵面在炸药中传播的速度称为爆速。 考虑以爆速d 定常传播的 平面一维爆轰波， 在上述假定下它被看作为一个无厚度的强间断面， 其前后的炸 药和产物的状态都是均匀的，分别用控制面( 下标)0 和 1处的物理量表示( 图 2 一 1 ) 。 爆轰产物 匕 荞乙 乙 几 乙 名 二 乙 控:爆 制:轰 面:阵 公; .面 炸药 控制面8 ( 下游)( 上游) 图2 一 1 爆轰波的cj模型 根据质量守恒、动量守恒和能量守恒可以写出以下的式子: po( d一 气) ， pi( d一 u : ) ( 2 一 1 ) 尸 。 + 巧 ( d 一 u 。 ) 2 = 夕 ， + 八 ( 。 一 u : ) ， ( 2 一 2 ) 。 + ; “ 。 + 告 (d 一 )2 一 、 + ， : 。 + 告 (。 一 :)2 ( 2 一 3 ) 这里，户 p 、 u 、 v 分别为炸药或产物的密度、 压力、速度和比 体积.单位 质量 介 质的 总能 量e 为比 内 能e 和化 学 反 应释 放的比 能 量q 之和。 将式2 一 1 代入2 一 2 得到七y l e i gh线方 程: ( d 一 u 。 ) 2 。、( d 一 u : ) 2 ， p i 一po =一 一 勺 万 、 v o 一v l ) =一 一 一 一 犷 一 一气 vo 一v l ) v0巧 ( 2 一 4 ) 将式2 一 4 代入2 一 3 得到h ugomot线方程: 、 一 、 = 告 (。 + ， 。)(vo 一 ， ( 2 一 5 ) 假设。 的 关 系己 知， 在p 一 v 平 面 上 可以 画出h u g o ni ot曲 线， 如图2 一 2 所 示。 硕士论文 脉冲爆轰发动机结构设计及原理验证 氏 . - - - - - - - 一种 人 一 u 图2 一 zh u g 0 0 1 ot曲 线 h u goni ot曲 线是初态为( po， vo ) 的 炸药 材料 经过爆轰波强间 断面 后， 按照 三 个守 恒定 律 所确 定的 所 有可 能 终态 点( p ， v)的 集 合。 r ay leigh线 是p 一 v 平面 上 过 点( p 。 ， vo ) ， 斜率 由 爆 速决 定 的 直 线。 在图2 一 2 中 ， 过 初 始点(p 。 ， vo ) 分 别 作 两 条 七y l ei gh线 与hug 画ot相 切， 切 点 为b 、 e : 过(p 。 ， v 。 ) 作 水 平 线 交曲 线 于d ， 作 垂 直线交曲 线于c ， 这样h u g o ni ot曲 线被 分 为五段。 关于气相 和凝聚相炸药的 大量试验证明，在炸药的给定初始状态下，爆轰波以不变的速度定常传播。 cj 理论认为 爆轰反 应产物的状 态必须位于釉y l e i gh线和h ugo ni ot曲 线的切点(b) ， 爆轰波才能定常传播， 位于该点处的质点相对于爆轰波阵面的运动速度正好等于 当地声速， 爆轰波后面的稀疏波赶不上爆轰波， 不会削弱其强度。 爆轰能量全部 用于支持爆轰波， 使其保持稳定。 对于强爆轰区a b段， 质点速度相对于波后介 质的 运动速度是亚声速， 稀疏波能够赶上爆轰波， 并削弱其强度和速度， 使得爆 轰 波 不能 够 稳定 传 播， 直到 爆 速衰 减为q 二 ， 才 能 保 持稳 定 传播。 而釉y l ei gh线 与hugoni ot曲 线的另一个切点e 则对应着cj爆燃， 在该点爆燃波速相对于波后 产物是以当 地声速传播的， 相应的爆燃过程也是稳定的， 称为cj 爆燃。 d e段 为强爆燃区，ef 段位弱爆燃区。 尽管c j 理论对炸药的爆轰过程作了很大的简化， 但是在应用c j 理论对爆轰 问 题进行计算时， 通过调整和修正炸药的状态方 程， 可以 将理论误差一并“ 修正气 使得计算结果和试验结果符合得很好. 2 .z n d模型 泽里多为奇、 j . 、 b n诺依曼和w. 杜林把爆轰的cj模型加以 发展，引入了 有限 反 应速 率， 建 立了z n d 模型 120 1 。 这 个 模 型 认为 爆轰 波由 先导 的 惰 性冲 击 波 和后面的反应区构成，如图2 一 3 所示，并且假定: 硕士论文脉冲爆轰发动机结构设计及原理验证 爆轰产物炸药 先导冲击波 反应区 流动区 ( 下游)( 上游) 图2 一 3 爆轰波的z n d模型 ( 1)冲击波后的流动是平面一维层流。 ( 2)冲击波为强间断面，不考虑输运现象。 (3 ) 冲击波前炸药的反加速率为零， 波后的反应速率为有限值， 反应是单向 不可逆和放热的。 (4 ) 除化学组分外，其他热力学量处于局部热力学平衡状态。 忽略粘性和热传导等耗散效应，考虑平面一维情况，定常流动方程组如下: 质量守恒 如du u 代一十p气 产=u 止 丈 t口尤 ( 2 一 6 ) 动量守恒 。 会 十 寰 一 0 登 。 会 = 0 ( 2 一 7 ) 能量守恒 ( 2 一 8 ) 上式中x 为空间变量， e 为比 热力学能，引 入反应度兄 表示已反应物质占 总 物质的比例，初态时又 = 0 ，终态时又 = 1 。 假设状态方程为: e二 e ( p ， v， 兄 )( 2 刁 ) 反应速率方程为: ， 一 卒= 衣 p， v 幻 口了 ( 2- 1 0 ) 以及反应方程: = 生 兑( 2 一 1 1 ) 联立以 上方程就可以 求解爆轰反应区内的 状态。 z n d模型与c j 模型相比， 它的主要 特点是引入了有厚度的反 应区， 而且反 硕士论文脉冲爆轰发动机结构设计及原理验证 应区内 反应速率以/ dt是有限的。 z n d模型的提出，较好地解决了 定常平面一 维流场中爆轰波反应区和流动区的结合、反应区中能量释放和流体动力学的祸 合。 z n d模型认为，单道不可逆放热反应系统中平面一维定常反应区的声速点 ( 即cj 点) 必定是化学反应终止点。因此和cj 模型一样， z n d模型可以 与自 相 似流动区的几y l or波结合， 给出 平面一维爆轰 波较 完整的图 像. 但对于 一 般曲 面 爆轰波如柱、球面聚心或散心爆轰波、细长圆杆药柱中的拟定常二维爆轰波等， 虽然流动是拟定常或自 相似的，但至今还没有自 洽的反应区解。 3 .两相爆轰 鉴于本文所研究的脉冲爆轰发动机是以 可燃液体和空气为工作介质， 在此主 要 讨论 气液两 相的 爆 轰问 题l8 ， 咖。 燃 料液 滴 悬 浮 在 空 气中 的 状 态和云 雾 相同 ， 故 也称为云雾爆轰，云雾爆轰发生的条件为: ( 1 )合适的混合比范围; (2)混合均匀，液滴颗粒不能太大; ( 3 ) 足够大的云雾尺寸; ( 4 )足够大的 起爆能量。 云雾爆轰的弛豫结构是很复杂的， 在反应区内， 液滴必须被粉碎、 气化和空 气充分混合， 才能形成爆轰。 液滴在前沿冲击波作用下， 造成了液滴和气流之间 的速度差， 液滴迎风面驻点的滞止压力使得液滴变扁， 边缘部分被气流剥离碎成 小滴， 液滴尺寸愈小， 破碎愈快， 碎液滴迅速气化， 与空气充分混合， 发生局部 燃烧和爆炸， 爆炸产生的冲击波可以使被作用的液滴加速破碎， 爆炸能量支持前 沿冲击波推进， 形成稳定的自 持爆轰波。 爆轰反应区的宽度为猛炸药的百倍， 达 到厘米量级， 反应区愈宽， 热传导损失和粘性损失愈大， 反应热支持爆轰的作用 愈小，因此，爆轰性能与液滴尺寸有很大关系。 洪滔和秦承森采用一维非定常化学流体力学模型对云雾爆轰进行了模拟， 模 型假定气相爆轰混合物达到热力学平衡， 液滴为相同直径的圆球且温度相同， 但 与气相温度不同， 均匀分布于气相中， 因为液相体积远比气相体积小， 故可将其 体积忽略。基本的方程为气相和液相各三个守恒方程: 质量守恒 日，、l a ，_ 而 喊p，)十 万丽代 p，u! ) (-l厂 ( 2 一 1 2 ) 动量守恒 景 、 。 uj) 十 声 景 (r aa lo u， - 一 。 鲁 + (一 )“ (、 一 : ， ( 2 一 1 3 ) 硕士论文脉冲爆轰发动机结构设计及原理验证 能量守恒 a， 二 丁 【 “， 只 以 十 刁资 0 .s u 子 ) 十 工 (r “ :八 u ，(。 十 o s u 子 ， 卫 )l - ra只( 2 一 1 4 ) ( 一 1) 3- ， 几 ( e ， + 卫+ 0 .s u 圣 ) 一 么一 凡 u z + ( 2 一 1 f 万 式中 : ， 为 空间坐标， 。 = 0， l 2 分别 表示平面、 柱面 和球面坐 标， 环 p 、 u 和 e 表 示 密 度、 压 力、 离 子 速 度和比 热 力 学能 ， “ ， 为 气 相和 液相的 体 积 份 额， 脚 标 1 = 1，2分 别 表 示 气 相和 液 相， 甲为 反 应 率， 研 为 反 应热， 几是由 于 液 滴 剥 离 和 蒸 发引 起的 单 位体 积液 滴的 质量 变化，凡是 气体 作 用于 单 位体 积的 混 合 物中 液 滴上的 力，么为单位体积的 混合 物中 两 相间的 热交换。 采用理想气体的 状态方 程， 液滴的 剥离和蒸发量与液滴半径和气液相的动力粘性系数产 等参数有关， 由 下式给出: _ ， dr 二一 月 户 2 斗 刀 式 一 万 尸 泛通 ( 2 一 1 5 ) i (丛) 是 举 2俩 l; 3 凡 戈( 不一 兀 ) ( 2 一 1 6 ) 八 户2几r威户 z l ii 从 = 2 + 0 .6 rez p r 3 上述方程组无法直接求出其解析解， 只能对方程进行离散处理， 解。根据求解结果可以得到不同初始条件下的气液两相爆轰参数。 ( 2 一 1 7 ) 求出其数值 2 . 2脉冲爆轰发动机基本结构与工作原理 脉冲爆轰发动机是利用燃料与氧化剂在爆轰室周期性地间歇爆轰产生推力， 基本结构包括进气系统、 点火系统、 爆轰室和喷管。 其基本循环过程可分解为图 2 一 4 中的五个部分。 硕士论文脉冲爆轰发动机结构设计及原理验证 传播， 并在其后诱导了 一束以 封闭端为中心点的中心稀疏波; 当冲击波传播至开 口端时与可燃混合物/ 空气的交界面发生作用，透射出一冲击波至周围空气中， 由 于 燃 料 / 氧化 剂 混合 物的 声阻 抗pl c ， 大 于 空 气的 声 阻 抗八 c z ， 故 在透 射出 一 冲 击波的同时还将反射一左传稀疏波。 上述过程可用图2 一 5 所示的x 一 t 图来表示， 1.夕fj牙孟万11 凡议 t l 刊2 葬拼/厂 压 5 2 透射冲击波; r i一一爆轰波诱导的中心稀疏波 ( t ayl or膨胀波) ; r 一界面反射的膨胀波; r 厂 一 刃a ylo r 膨胀波r : 在界面反射产生的 稀疏波; tl 一刊曝 轰波 从 封闭 端 传到 开口 端 所 需的 时间，t ， = l / “ ， ; 几 膨 胀 波r3从开口 端 传到 封闭 端 所 需的 时 间， t z = l /c; 2 . 5小结 本章首先介绍了爆轰波流体力学的基础理论， 包括经典的c j 理论、 z n d模 型以 及较新的两相爆轰理论。 c j 理论虽然对物理模型简化过多， 但因 其简单易 用， 再加上使用经验公式的修正， 使得计算结果与实验数值符合的较好， 因而得 到了 广泛的应用; 但z n d模型更接近于实际的物理情况，其给出的方程一般无 法得到解析解， 使用数值方法求解方程组可以 得到较为精确的解。 两相爆轰是脉 硕士论文脉冲爆轰发动机结构设计及原理验证 冲爆轰发动机的工作基础， 但因其爆炸过程涉及到气液两相的藕合， 过程非常复 杂， 对于其机理也尚未完全弄清。 本文 介绍了 洪滔和秦承森的工作， 他们在对物 理过程简化后运用数值模拟的方法求解了 给定条件下的两相爆轰参数。 本章还对 脉冲爆轰发动机的基本工作原理作了 介绍， 并从热循环和波的作用过程的角度对 脉冲爆轰发动机的工作原理进行了分析， 从理论上阐明了 脉冲爆轰发动机的热效 率是高于 传统的吸气式发动机的。 在下一 章里将对脉冲爆轰发动机的基本设计理 论进行阐述。 硕士论文脉冲爆轰发动机结构设计及原理验证 3 脉冲爆轰发动机结构设计基本理论 3 . 1总体性能参数的确定 衡量脉冲爆轰发动机性能参数的主要指标为冲量和推力， 但目前还没有一套 成熟的用于计算脉冲爆轰发动机推力和冲量的理论。 本文所采用的是一些被广泛 引用和讨论的经验及半经验公式， 多数来源于实验的总结， 在一定的尺度范围内 具有适用性。 1 冲量的计算 winten be rg ere 等人研究了 脉冲 爆轰发 动 机平均推力、 冲量等性能 参 数的 计 算方 法图周 。 图3 一 1 表示脉冲爆轰发 动 机推力 壁 上的 压力与时间 关系的 历史曲 线。 p. t l位七 色 卜一 一，一一一一一一 1点火 图3 一 1推力壁上压力与时间关系的理想曲 线 脉冲爆轰发动机单次爆轰的冲量可由下式表示: = “ f 州t) dt ( 于1 ) 式中 假设在 可写为: a 爆轰管横截面积; 夕(t)(t 十 dt ) 时 刻推力 壁上的 压力与t 时刻的 压力之差。 t = 0 时刻点火，并在爆轰管内 激发了 稳定传播的cl 爆轰，则式 3 一 1 = a 峨 (t， 十 。 ， 十 f ap (t )dt ， ( 3 一 2 ) 式中 凡二 凡一 君 tl 爆轰 波以 u 白 的 速 度从 封闭 端 传 播到开口 端 所需 要的 时间 : tl = l / u cl ( 3 一 3 ) 硕 上论文脉冲爆轰发动机结构设计及原理 验证 t z 从 开口 端反射的 稀疏波 到达推力 壁所需的时间。 令。 ， 为 外界大 气环 境中的 声速， 则 第一 稀 疏波的 初始 速度 应为c ， ， 且有 式 3 4成立: t : l / c ，( 3 一 4 ) 引入等效时间t ， 和无量纲量a、刀， 令 t z = al/ c3( “ 1 )( 3 一 5 ) f ap (t) dt:姚 一 屺刀 三( 3 一 6 ) 则脉冲爆轰发动机单次爆轰的冲量可以表达为: ，。 ，l，_ 、 l_ j = 扭 。 几t + t a+ p ) 一j( 3 一 7 ) “ 。 2.推 力 的 计 算 ， 瓜 = a( p 3 一 p t )tt kf ( 3 一 8 ) k 二 1 + 人 + 2 2 r r 一 ) ( r 一 1 ) / ( r + 1 ) 沙 尸 + )介，)1( 3 弓 ) 二 2 ( 与 二 ，)，。 一， y+1 ( 3 一 1 0 ) 式中r 燃料的比 热比; f 脉冲爆 轰发动 机工作频率。 3 .燃料的爆轰特性 不同的燃料/ 氧化剂混合物的爆轰性能是不同的，即在相同的初始温度、初 始压力和浓度下， 不同的燃料爆轰得到的爆压和爆速是不同的。 本文使用斯坦福 大学willi am rey n o l ds教授编写的 化学热力学计算程 序s t a n j a n来计 算 燃料的 爆轰 参数 【幼 。 该 程 序是 基于 美国 国 家 标 准与 技 术 研 究院 出 版的j a n a f 化学 热 力 学数据表开发的， 不但能够计算多组分可燃气体的 气相爆轰参数， 对于有凝聚相 ( 液态或固态) 燃料参与的多相爆轰同 样适用， 同时在计算时还可以 根据需要人 为设定反应产物的组分。本文利用5 】 人 n j a n程序计算了j pio 和汽油与空气混 合物的爆轰参数( 表3 一 1 ) 。 计算时假定燃料与空 气按化学计量比 均匀混合且完全 反应， 产物为c 伍和践0 。 硕士论文脉冲姗轰发动机结构设计及原理验证 表3 一 1 燃料的爆轰参数特性 混和物组成 爆轰产物压 力/( a t m ) 爆轰产物 温度/( k) c 。 击， . + 1 4 压+ 5 6 n : c 刁 1 1 。 + 1 2 认+ 4 8 n 2 初始压 力/( a t m ) 1 . 0 1 . 0 初始温 度/( k ) 2 9 3 0 2 9 3 . 0 2 0 . 4 2 0 . 2 3 2 0 9 . 6 3 1 9 8 . 8 cj 爆速/ ( 口 / 5 ) 1 884 . 0 1 8 9 1 ， 7 4 p d e 工作频率的上限 设 t 砂表 示 脉 冲 爆 轰 发 动 机 单 次 循 环 所 需 要 的 时 间 ， 少 碗为 给 定 的p d e 的 最 大工作频率， 并根据p d e的工作过程将p d e 单次循环时间分解为三部分: 燃料 / 氧 化 剂 混 和 物 充 填 时 间 t 声 、 爆 轰 波 从 封 闭 端 传 播 到 开口 端 的 时 间 与、 爆 轰 产 物的 清除时间几 ，则有: 二一 舟 ( 3 一 1 1 ) 气 馆= 蜘 + 与+ 1 ( 3 一 1 2 ) 设 蜘为 燃 料 / 氧 化 剂 混 合 物 的 充 填 速 度 ， u cl 为 爆 速 ， l 为 爆 轰 室 长 度 ， 则 有下式成立: 恤“ l / u 拟( 3 一 1 3 ) 与= l l u 口( 3 一 1 4 ) 试验表明: 人 = g tci( 3 一 1 5 ) 整理以上关系可得: 爪 1 1 01 + u c，u 那 ( 3 一 1 6 ) 式3 一 16中 ， u 。 与 燃 料 种 类 有 关 ， 物是 燃 料 岚化 剂 的 充 填 速 度 。 对 于 给 定 的pd e 系 统 ， uc.为 定 值 ， u 那 受 制 于 供 油 、 供 气 系 统 的 设 计 指 标 ， 存 在 一 个 最 大 值， 故少 存 在一 最 大 值， 即 为 给 定的p de系统的 最大工 作 频率. 从 式3 一 9 可 以 看出， 脉冲爆轰发 动机的平均推力与其工作频率成正比，而p d e的工作频率 存在一个极限值，由 此可见对于给定的 p d e ，在燃料种类一定的情况下，不能 依靠无限制地提高工作频率来增加推力。 硕士论文脉冲爆轰发动机结构设计及原理脸证 3 . 2结构参数的确定 脉 冲 爆 轰 发 动 机结 构 参 数 主 要 包 括 爆 轰 室 的 长 度l 和内 径d ( 直 径 ) 。 确 定 结 构参数就是要在一定的推力条件下设计出合理的l 和do 1 .爆轰管长度l 的确定 鉴于目前设计的绝大多数脉冲爆轰发动机点火方式仍然是通过嫩烧转爆轰 的 形 式， 因 而p de爆 轰管的 长 度l 必须 大 于 选用的 燃 料的 燃 烧转 爆轰 距离l ddr 。 其中乙 即 : 与 燃 料的 爆轰 胞 格尺 寸之 有关， 存 在以 下 关 系 式: l 淤 之 1 0 元 l 二 的 值 取决 于很多因 素 ， 包 括 燃 料的 种类、 初始点 火 条 件、 点 火 能 量 值、 扰流的方式等。 此外， 爆轰管的长度设计也必须考虑到实际的应用需要， 不宜过长， 一般认 为发动机的长度取值区间为:z o 00m m l l ddt 之 s oomm 。 2 .爆轰管内 径d 的确定 爆轰波在爆轰管内的传播受到爆轰管内径尺寸的限制，存在一个最小临界 值，因而内 径d 的选取不是随意的， 必须满足一定的条件: d全又/ 万 其中又 为选取的燃料的胞格尺寸。 考虑到实际工程的需要一般选取d 的范围为:2 00mm 之 d 之 1 5 m m。 3 . 3结构参数与性能参数的关系 脉冲爆轰发动机的性能参数与结构参数之间存在一定的制约关系， 当性能参 数给定后， 相应的结构设计必须在性能参数所决定的结构框架下进行。 下面对脉 冲爆轰发动机的工作