部分充填下脉冲爆震发动机的热力循环性能分析.pdf

中国工程热物理学会 燃烧学 学术会议论文 编号：064069 部分充填下脉冲爆震发动机的 热力循环性能分析 邱华严传俊熊姹 (西北工业火学动力与能源学院陕两西安710072 209信箱) 联系电话：(029E．mail：qhdylan@mail．nwpu．edu．cn 摘要：理论数值模拟和试验结果都表叨部分充填能够提i岛脉冲爆震发动机的推进性能，为了分析此时 发动机的热力循环性能。本文在完全充填脉冲爆震发动机的Ficket．Jacobs热力循环的基础一1-，提fj{了 用于分析部分充填下脉冲爆震发动机的热力循环性能的分析方法，结果表明，部分充填的工作方式会 降低发动机的总的热力循环效率，但另一方面，由于部分充填的工作方式使爆震燃烧释放的能量在燃 烧产物和隔离气体间重新分配，这种工作形式最终提高了发动机的总效率． 关键词：脉冲爆震发动机部分充填热力循环 1．引言 脉冲爆震发动机(PDE)是利用周期性爆震波米产生推力的，早在1 940年，Zei’dovichilJ 就指出爆震燃烧的效率要高于等容和等压燃烧，近几年很多研究人员从热力循环的角度 分析了脉冲爆震发动机的极限性能及循环损失对爆震循环性能的影响【2—1，其基于的热 力循环方法有稳态爆震热力循环模型和Ficket．Jacobsl5~7】循环两种，从热力循环角度来 看，它们最后得到的爆震循环的p-v和T-S图是一样的，同时这两种循环过程都是针对 参与爆震燃烧的工质(即完全充填)提出来的。另一方面，通过对部分充填下脉冲爆震发 动机进行试验和数值模拟【8_z】发现，尽管部分充填会降低单个循环的总冲量，但却能提 高发动机的燃料比冲，对于这种工作方式，由于发动机内的隔离气体参与了循环过程， 此时无法应用目前的爆震热力循环模型来分析其循环性能。因此，本文在Fieket-Jacobs 循环基础上建立了理想部分充填爆震循环模型，基于此，分析了PDE在部分充填工作 方式下的热力循环性能及理想推进性能。 部分充填爆震循环模型 2．1部分充填PDE基本工作过程 脉冲爆震发动机部分充填时的．J：作过程如图l所示，当经压缩后的j亡质开始充填爆 震室时，一开始先不喷油，这部分：』：质为隔离气体(Purge Gas)，充填一步分隔离气体后， 燃油开始喷入与l：质参混，对丁部分充填工作方式的脉冲爆震发动机，充填结束、点火 之前爆震室内的．1：质状态如图1．a所示，此时AB段为可墚混合物，BC段为隔离气体， B为交接面：当点火起爆后爆震波形成并在爆震室内传播(图1．b)；当爆震波到达B处时 ’皋金项口：国家自然科学堆金项1d50336030) 388 (图1．c)(忽略jJ：质流动对交接面的影响)，可爆混合物完全反应完全，化学能转化为AB 段．r：质的内能和动能，此后AB段的工质开始膨胀并对BC段的隔离气体：T：质做功传热， 最终所有]：质从喷管膨胀喷出。 ’ 从热力循环的角度对图l部分充填时PDE的jr：作过程进行分析可得，PDE的循环。r： 质可以分成两部分，一部分是参与爆震燃烧的AB段工质(可爆混合物)，一部分是隔离 气体BC段工质。AB段+I：质的加热量由爆震燃烧放热量决定，BC段jr质的加热量由 AB段J：质对其做功和传热来实现。最终AB段工质和BC段工质通过喷管进一步膨胀 到初始状态。 Det蛳●Hc M虹mn PII曙●C一 a) L B 《 l D℃toMhk I Mixture PurgeG舯 b) L B ( 1 _ l PurgeG∞ _ 图l部分充填PDE基本工作过程 2．2部分充填爆震循环模型 根据部分充填PDE基本工作过程的特点，可以在Ficket—Jacobs循环的基础上进行 扩展来建立部分充填爆震循环模型，如图2所示。循环初始时(过程a)，气缸内充填了 两种工质且工质气体状态相同，工质l为爆震循环工质，工质2为隔离气体工质，工质 之间通过隔板分开，整个体系与外界没有热交换，为绝热体系，此后两端活塞开始对气 缸内两部分工质进行等熵压缩到相同的最终气体状态，此过程中隔板固定且不传热(过 程b)；压缩终了，外界功使得左端活塞以速度坳移动。在活塞面瞬间激发了一个爆震 前锋(过程c)，爆震波以速度％传播，方向和坳一致，波后的爆震产物是均匀的，此 时右端活塞和隔扳固定且隔板不导热；当爆震波到达隔板时，右端活塞和隔板瞬间加速 到速度up，使得整个活塞一气缸系统以恒定速度坳一起运动(步骤d)，此过程中隔板不 导热；整个系统滞止后，机械运动产生的能量转换为外界功(步骤e)；此后系统两端活 幽2部分充填爆震循环模型 389 塞同定，隔板臼由并可导热(过程f)，冈此高温高压下的爆震产物工质将通过隔板对隔离 气体工质做功和传热，最终两边的工质达到平衡状态；当状态