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3.3.2喷管对旋转爆震波发动机推力性能的影响28
3.4数值模拟与实验结果对比分析.34
3.5本章小结.35
结论36
致谢37
参考文献38
1 引言爆震是一种激波与燃烧波相互耦合并以超声速、高频率传播的燃烧形式。按工程热力学理论，爆震可被近似看作等容循环过程。相较于传统的喷气式发动机内的等压燃烧方式（即爆燃） ，爆震具有能量释放快、热力循环效率高等优点[1]。通过爆震来组织燃烧的发动机具有很高的理论性能，不仅结构简单，在较小的燃烧室中即可产生大推力，而且还具有低速自启动能力、推力矢量调节能力等，可见爆震燃烧在航天推进领域有良好的应用前景。1.1 研究背景与意义19 世纪末和 20 世纪初，Chapman 和 Jouguet 分别提出定量得到爆震波传播速度的方法，即 C-J 理论。C-J 理论假设可燃气的化学反应速率为无限大，完全忽略了爆震波的空间结构，将爆震波简化为一道激波并包含瞬间能量添加。该理论认为爆震是一个自相似过程，可用于预测爆震波前后空气动力学参数。20 世纪 40 年代，Zeldovich、Neumann 和 Doring 基于可燃气有限化学反应速率理论，提出了爆震波的一文空间结构，即 ZND模型。该模型认为爆震波由前导激波、反应诱导和能量释放三个过程组成。混合气在前导激波的压缩作用下，温度、压力迅速升高，达到着火条件，而后经历一段诱导期，随即发生剧烈化学反应，放出大量的热，与此同时燃烧产物迅速膨胀，至 C-J 面时化学反应将达到平衡，且此时混合气的传播速度刚好等于当地声速。虽然 C-J理论和 ZND 模型在一定程度上成功描述了爆震现象，为人们认识爆震现象奠定了一定理论基础，但实际的爆震现象远比上述模型复杂。利用爆震燃烧产生推力的发动机可分为脉冲爆震波发动机（Pulse Detonation Engine，简称 PDE） 、驻定爆震波发动机（Standing Detonation Engine,简称 SDE）和旋转爆震波发动机（Rotating Detonation Engine，简称 RDE） 。RDE 的另一种习惯说法是连续旋转爆震发动机（Continuous Rotating Detonation Engine，简称 CRDE） 。PDE 是利用脉冲爆震波产生的周期性冲量来实现推进的非定常推进系统，由于自动点火的爆燃性，无法得到连续爆震波。与传统喷气式发动机相比 PDE 可大幅提高热效率，并兼具推重比高、结构简单、具有推力矢量调节等优点。但在研究过程中遇到了些许难题：首先，通常低能量火花塞一次放电的能量在几毫焦量级，比较难以实现PDE 瞬时且稳定的高频起爆，也可以采用另一种起爆方法：使爆燃向爆震转变（Deflagration to Detonation Transition，简称 DDT） ，但此方法由于转变过程较长，会伴随较大的能量损失。其次，由于 PDE不断产生脉冲式爆震波，将会造成进气系统不稳定。并且 PDE 在一次循环中有一半以上时间为充气和扫气过程，而这段时间内发动机不会产生推力，因此 PDE 的循环效率并不高。虽然已经经过较长时间的研究，目前为止上述难题还没有得到有效解决。SDE 适用于吸气式高超声速发动机，它要求发动机的飞行速度必须大于或等于爆震波对应的 C-J（Chapman-Jouguet）速度，只有满足这个条件才可能稳定工作，为满足这个要求往往伴随着很大的波阻损失。当来流速度减小时，燃料燃烧不充分，爆震波前移至燃烧室入口处使发动机无法启动；当入流速度增大时，又会使爆震波在来流冲击作用下退出燃烧室，造成发动机熄火的后果。与 PDE 相比，RDE 不仅有相似的优点，并且还具备一些其它的优势。在点火方面，RDE只需要一次初始点火便能实现连续爆震，大大降低了对点火系统的要求，而且它的工作频率（数千赫兹甚至数万赫兹）比 PDE高得多，这意着 RDE 会获得更稳定的推力。RDE 采用持续高压入射燃料和氧化剂的方式，较大地提高了推进剂的平均流量，使更多燃料燃烧释放出大量的能量，从而获得更大的推力。与脉冲爆震波不同，旋转爆震波的连续性使其具有稳定传播的特性，有效地减小了振动和噪声。RDE 可以工作在冲压基和火箭基两种模式下，研究表明，当推进剂入流速度在 300 m/s至 C-J 速度范围内变化时，均可成功实现发动机的爆震燃烧[2]。可见，与 SDE 相比，RDE 的工作范围更宽，应用更广[2]。