爆震波通过弯曲壁面的传播特性及其机理研究

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本文以旋转爆震发动机为研究背景,主要通过数值模拟、实验研究和理论分析相结合的方法,开展了爆震波通过弯曲壁面的传播特性及其机理研究,特别是对弯曲壁面下爆震波的反射与衍射过程,以及环形通道中爆震波的传播过程进行了深入探索,并对各传播现象中的爆震波特性及变化规律进行了详细分析。对爆震波通过弯曲凹形壁面发生的反射过程进行了研究。通过仿真发现了爆震波的反射与激波反射相似但又存在差异,并认为这是由爆震波后的化学反应导致形成马赫反射的扰动信号速度变化所引起的。反应区和诱导区长度比对爆震波反射特性有决定性的影响,且马赫干高度和马赫反射向规则反射转换角均随该比值的增大而增大,而壁面曲率半径的增长则会导致马赫干高度及转换角的减小。通过建立求解激波反射三波点轨迹的理论模型预测了爆震反射马赫干高度的最大值及其位置。实验研究则观测到反射的压缩效应会随反射过程而逐渐增大。对爆震波通过不同扩张角的直扩张壁面的衍射过程进行了详细的数值研究。发现了衍射爆震波在小扩张角下通过横波与扩张壁面的碰撞实现再起爆,而在大扩张角下通过下游自发形成横向爆震实现再起爆的不同再起爆机制,并得到了两种机制转换的临界条件。同时分析得到了大扩张角下衍射爆震波的再起爆结构特性,并建立了横向爆震运动轨迹的预测模型,从而获得了与文献中的实验研究一致的横向爆震运动规律,并通过模型解释了其规律的形成机理。对爆震波通过弯曲凸形壁面的衍射现象进行了研究。研究表明弯曲壁面对衍射爆震波的再起爆具有促进作用,且再起爆的壁面临界曲率半径随初始压力和出口宽度的增大而减小。同时发现了衍射爆震波实现无解耦稳定传播的现象,且稳定传播的壁面临界曲率半径仅随初始压力的增大而减小。研究还得到了衍射爆震波发生解耦和再起爆位置的变化规律,并基于现有理论分别得到了衍射爆震波实现再起爆和稳定传播的临界准则。准则与实验结果吻合较好,但实验中存在的三维尺度效应会导致再起爆现象比二维仿真工况下更早地发生。对环形通道内爆震波的传播进行了深入的研究。按照波面解耦及马赫干变化情况详细地对爆震波的传播模式进行了划分,并分析了各传播模式的形成条件、结构及速度特性。传播模式的工况分布表明随着初始压力的增大,爆震波实现稳定传播的能力增强,而马赫干则随着内壁面曲率半径与通道宽度比的增大而呈现增长—平稳—衰减的转换趋势。最后基于各传播模式的形成机制获得了传播模式相互转换的理论临界准则。准则能较为准确地预测不稳定传播模式与稳定传播模式之间的转换关系,部分存在偏差的准则可通过实验数据进行修正。这些临界准则可为旋转爆震发动机环形燃烧室的设计提供理论参考。
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