多管脉冲爆轰发动机爆轰噪声特性实验与理论研究

论文摘要

相比单管脉冲爆轰发动机（Pulse Detonation Engine,简称PDE）,多管PDE具有推力更平稳、推力调节范围更广等优点。然而,作为一种动力装置,瞬间的压力释放会引起大幅振动并产生较大噪声。多管PDE的管外流场和噪声声源的物理特性比单管PDE更加复杂。研究并利用多管PDE爆轰噪声的物理特性及传播规律来有效地降低噪声对相关人员和设备自身的干扰和危害,是急需解决的问题。本文通过实验研究和数值模拟方法,开展了多管爆轰管数量、排列组合方式、喷管形状等因素对多管PDE爆轰噪声影响、多管PDE工作同步特性、多管PDE管外复杂流场、爆轰噪声的形成及由近场向远场传播过程的研究。本文的主要工作如下:（1）搭建了多管PDE爆轰噪声测试实验系统,开展了单管至四管PDE爆轰噪声的传播特性研究,得到了不同角度和传播距离爆轰噪声的波形、声压级、衰减规律、辐射特性、A/B持续时间和频谱特性等物理参数。研究表明:多管PDE爆轰噪声是一种典型的脉冲噪声,主要由爆轰波蜕化而成的冲击噪声和高温高压燃气向管外喷射形成的射流噪声组成。在距离管口较近区域,爆轰噪声的峰值声压衰减较快,衰减速率与传播距离r三次方成反比;在距离管口较远的区域,爆轰噪声的峰值声压衰减速率与传播距离r成反比。爆轰噪声指向性随着传播距离的增加发生变化,最大值由管口区域的0°方向逐渐向30°方向转变。同一传播距离处,声压级越大,A持续时间越长;B持续时间主要受射流扰动大小的影响,并随着爆轰管数量的增多而增加。爆轰噪声是一宽频信号,能量主要集中在2kHz以下的中低频段。（2）开展了多管PDE爆轰噪声的形成及由近场向远场传播过程的数值模拟研究。采用CE/SE方法对多管PDE管口的复杂流场进行了三维数值模拟。研究发现:多管PDE管外流场存在多道相互作用、相互影响的激波和膨胀波。随着传播距离的增加,多个管口溢出的前导激波波阵面逐步交汇并最终融合成统一的球形激波向前传播。根据非线性强度的不同,将爆轰噪声由近场向远场的传播过程划分为强非线性区、弱非线性区和线性区三个部分,对各部分的控制方程分别采用不同计算方法进行求解。分区方法可以较好地模拟爆轰声波由近场强冲击波向远场线性声波的传播过程,并可解释由非线性畸变累积引起的持续时间增加现象。由于PDE多循环过程中的填充进程和上一次循环的排气过程的相互作用,导致前导激波波阵面在中心轴线附近产生“葫芦状”凸起。中心轴线附近的压力峰值衰减最快,出现多循环条件下0°方位角上声压级小于30°方位角的现象。（3）实验研究了多管PDE设计方案中排列组合方式、管间距等重要因素对爆轰噪声的影响,分析了不同测试平面上爆轰噪声的分布情况。结果表明:水平排列方式时,爆轰噪声波形叠加更加明显,噪声能量分布相对分散;对称排列时,噪声能量相对集中,小方位角上噪声峰值声压级大于水平排列时。对称排列时的A持续时间普遍大于水平排列时;对称排列时的频谱峰值频点均大于水平排列时,且频点声压级也较大。不同管间距情况下,爆轰噪声呈现出相同的指向性。随着管间距的增加,0°方向上声压逐渐增大,30°方向上声压逐渐减小。垂直测试面上的峰值声压和A持续时间普遍大于水平测试面。水平测试面上的声能量在低频部分的分布比垂直测试面上多。（4）实验研究了收敛、扩张、收敛扩张三种独立和共用喷管对多管PDE推力性能和爆轰噪声的影响,分析了安装共用喷管时不同点火方案下相邻爆轰管间的相互影响。研究发现:安装收敛喷管和收敛扩张独立喷管不仅能增加多管PDE的推力,也可以抑制爆轰噪声。安装共用喷管时,仅共用收敛喷管可带来正推力增益,而安装扩张喷管和收敛扩张喷管时,发动机产生的推力均有损失。安装共用喷管虽能解决不同点火方案下多管PDE的推力偏心问题,但相邻爆轰管间存在相互影响。采用激光多普勒测试法对PDE在燃气排放过程中的冲量进行测试,分析了不同喷管结构下燃气排放过程对PDE推力影响的内在机理。（5）实验研究了填充系数对多管PDE爆轰噪声的影响。为了测量PDE管内填充系数,提出了一种基于光谱辐射信号的爆轰管填充系数测试方法,避免了接触式测量方法对流场的干扰。实验结果表明:随着填充系数的增加,爆轰噪声逐渐增大。当过填充时会在管外形成爆轰,爆轰噪声声压峰值相对变大;当填充系数较小时,爆轰管内无法形成爆轰波。爆轰与爆燃工况下的辐射信号具有明显差异,爆轰辐射信号远大于爆燃辐射信号。采用可见光波段内的光谱仪对爆轰管内的汽油/氧气/氮气的爆轰燃烧过程进行光谱测量及分析,得到OH、CH和C2自由基等重要中间产物的变化过程。针对扰流装置引起的油气分布不均匀状况,提出了基于监测C自由基浓度的在线测量手段。（6）针对多管PDE在工作过程中存在非同步工作的现象,以双管PDE为研究对象,采用离子探针技术及压力传感器对爆轰管上不同测试位置处的信号进行测试。实验发现:在扰流装置中会出现过爆轰现象,此时波速和压力均大于C-J理论值。燃烧转爆轰过程的不稳定性是导致非同步工作的主要内在因素。对多管PDE点火时间的主动控制可以大幅度减小外在因素导致的多个爆轰管内爆轰波到达管口的时间差,使多管PDE处于同步工作状态。对其管外爆轰噪声的测量,发现同步工作时的爆轰噪声声压峰值较大;非同步工作时,噪声压力峰值较小,由于波形的叠加导致A持续时间也相对较大。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 黄孝龙

导师: 翁春生

关键词: 爆轰噪声,多管,脉冲爆轰发动机,喷管,工作同步性,填充系数,方法,实验研究,数值计算

来源: 南京理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,动力工程

单位: 南京理工大学

分类号: TK05;O422.8

DOI: 10.27241/d.cnki.gnjgu.2019.000046

总页数: 160

文件大小: 20759K

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