喷管对脉冲爆震流动的作用机制及其非定常优化设计研究

The nozzle can greatly reduce the energy loss of jet, which has been widely applied to the conventional engines. For the unsteady and complex flow in pulse detonation engine, effectively improving the propulsion performance for choosen nozzle is a challenging key issue. Theoretical analysis and numerical simulation methods are adopted to study the mechanism of nozzle affecting on pulse detonation flow, and optimization design of nozzle. Firstly, a detailed numerical research on the periodic and unsteady flow from the detonation chamber with shock waves and dilatational waves is executed . On above basis, main design variables can be extracted.Then, considering the average thrust and cycle time, the unsteady design method for shape is utilized to obtain optimized nozzle design for meeting the requirements of high cycle efficiency and improving the propulsion performance in different environments. This project aims at exploring some basic scientific issues and providing important theoretical and technical supports for new propulsion device and their application.

在常规发动机中广泛使用的喷管可以大大减少射流的能量损失，但对于脉冲爆震发动机来说，由于流动的非定常性和复杂性，采用什么样的喷管才能有效地提高推进性能至今仍是极富挑战性的一项关键问题。 本项目拟采用理论分析和数值模拟的手段，开展喷管对脉冲爆震流动作用机制及其非定常优化设计研究。首先，详细研究喷管对爆震室喷射出来的周期性的、非定常的、含激波和膨胀波复杂气流的作用机制。在此基础上，总结规律，提炼主要设计变量，然后综合衡量平均推力和循环时间，并采用非定常设计方法对喷管进行外形设计，以期得到在不同喷流环境下既能满足高循环效率要求，又能提高脉冲爆震发动机推进性能的喷管的优化形式。本项目旨在探索新型推进设备中的一些基础科学问题,并为其应用提供重要的理论支持和技术储备。

开展推进装置脉冲爆震发动机基础科学问题的研究：建立爆震室燃料的非定常气相（考虑二十步基元反应）、两相燃烧爆轰模型；基于有限体积方法，控制方程采用WENO格式进行左右状态量的重构后，利用耗散低、接触间断分辨率高和激波捕获性能较强的ROE格式进行空间离散，对爆震室气相和气液两相爆轰的热力、动力学性质及爆轰波胞格结构进行研究。同时，对两相爆轰流场，开展湍流-爆轰波-燃料液滴/蒸汽的相互作用的数值研究。本项目发展的物理数学模型和数值方法，为精细刻画流场的特性和后续喷管对爆震室推进性能研究提供数值分析手段。此外，为实现脉冲爆震发动机点火、起爆等关键问题，设计一类简单、有效的喷射器。研究结果表明，在激波、火焰及射流同时存在的流场中，可以有效地组织燃烧转爆轰的过程。. 开展喷管与发动机推进性能耦合作用的研究。发展一种改进的用于分析尾喷管对脉冲爆震火箭发动机(PDRE)推力、比冲影响的等容循环（CVC）模型。此模型考虑填充占空比、喷管收缩-扩张比、工作频率等因素，可方便、快捷地用于喷管的性能分析和喷管构型的基本设计。研究工作给出推力系数、比冲与工作频率的数学关系，以及最佳喷管扩张比值范围。在以氢气和空气混合物为推进剂，将不同收缩-扩张比喷管条件下的PDRE工作过程进行了单循环数值模拟，与改进的喷管设计理论计算得出的结果进行比对，结果显示：本项目改进的等容循环模型分析爆震循环中喷管对PDRE性能的影响是可行的。. 开展不同收缩/扩张比喷管的优化设计研究。采用维托辛斯基（Witoszynski）公式对PDE喷管收缩段进行设计，用传统的超声速喷管设计方法对扩张段进行设计，得出的曲线型喷管相比于直线型喷管在PDE性能上更具有优势，其对PDE的推力和比冲均有一定的增益，对排气时间影响很小，这说明在保证喷管收缩-扩张比的前提下，外形优化后的喷管能提高PDE的推进性能同时不影响PDE的工作频率。. 本项目的开展为脉冲爆震发动机的应用提供理论支撑和技术储备。