本發(fā)明屬于發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種提高脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)推力系數(shù)的方法及適用該方法的非定常環(huán)形射流控制噴管。

背景技術(shù)：

基于空氣動(dòng)力學(xué)的定常噴管設(shè)計(jì)研究已相對(duì)成熟，但針對(duì)非定常流的噴管設(shè)計(jì)卻至今未有突破性進(jìn)展。隨著脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)(Pulse Detonation Engine，簡(jiǎn)稱PDE)、脈動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)等非定常發(fā)動(dòng)機(jī)的研究與應(yīng)用，非定常流中的噴管設(shè)計(jì)成為研究者需要突破的重要技術(shù)，研究者需要通過噴管將非定常發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)產(chǎn)生的熱能充分地轉(zhuǎn)化為增加發(fā)動(dòng)機(jī)推力的動(dòng)力能。而此類發(fā)動(dòng)機(jī)不同于常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)，其燃燒室和噴管內(nèi)流場(chǎng)不穩(wěn)定，具有非定常性、周期性，因此常規(guī)定常噴管的設(shè)計(jì)理念在這里不再適用，固定尺寸的噴管無法長(zhǎng)期工作在最佳膨脹狀態(tài)下。

脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)以脈沖式爆轟波為基礎(chǔ)，爆轟波能產(chǎn)生極高的燃?xì)鈮毫腿細(xì)鉁囟?，以每秒幾千米的速度向未燃混合物傳播，爆轟燃燒過程接近等容過程。根據(jù)熱力學(xué)理論知基于等容燃燒的發(fā)動(dòng)機(jī)Humphrey循環(huán)比基于等壓燃燒的發(fā)動(dòng)機(jī)Brayton循環(huán)具有更高的熱循環(huán)效率。脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒理論上的優(yōu)勢(shì)如何轉(zhuǎn)化為推進(jìn)性能上的優(yōu)勢(shì)至今仍困擾著眾多學(xué)者，要將高溫高壓爆轟燃?xì)獾臒崮苻D(zhuǎn)化為發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)性能，途徑之一就是在其尾部安裝合適的噴管。而PDE的溫度和壓力大跨度特性和非定常特性一直制約著其非定常噴管的設(shè)計(jì)，至今學(xué)者對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的設(shè)計(jì)還未得出一致的結(jié)論，PDE噴管的最佳構(gòu)型與燃料、填充率、頻率、高度、飛行馬赫數(shù)等工作參數(shù)緊密相關(guān)。根據(jù)相關(guān)研究，PDE若采用固定結(jié)構(gòu)噴管，甚至?xí)霈F(xiàn)同一類噴管在發(fā)動(dòng)機(jī)不同工作狀態(tài)下對(duì)PDE推進(jìn)性能的影響完全相反的現(xiàn)象。為此開發(fā)一種能適應(yīng)脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的變噴管具有重要的實(shí)際意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種通過環(huán)形射流控制噴管動(dòng)邊界來提高脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)推力系數(shù)的方法以及基于該方法的適合脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性的非定常環(huán)形射流控制噴管。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：

一種提高脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)推力系數(shù)的方法，具體為在脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)尾部噴管的擴(kuò)張段壁面向噴管內(nèi)部沿噴管軸向方向等間距引入不少于兩組與中心流體馬赫數(shù)差別很大的小股亞音速環(huán)形射流，距離噴管喉部最近的一組射流布置在過膨脹現(xiàn)象出現(xiàn)位置之前，即到噴管喉部的距離應(yīng)小于喉部直徑的0.2倍，每組環(huán)形射流沿噴管周向均勻布置，射流沿與噴管中心軸線垂直的徑向方向進(jìn)入噴管，所述噴管的喉部面積為噴管喉部達(dá)到音速時(shí)的臨界面積的80％-90％。環(huán)形射流對(duì)主流控制呈現(xiàn)軸對(duì)稱型，在主流外側(cè)形成新的控制面，通過環(huán)形射流控制噴管動(dòng)邊界，從而根據(jù)噴管入口氣流的超音速和亞音速狀態(tài)調(diào)節(jié)噴管內(nèi)主流的實(shí)際型面和實(shí)際出口面積，能夠使主流出口的推力合力方向平行于發(fā)動(dòng)機(jī)中心軸，使主流實(shí)際膨脹比更接近最佳值，以此來提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推力系數(shù)。射流總壓設(shè)置需要保證：在PDE排氣后期噴管內(nèi)出現(xiàn)過膨脹時(shí)，射流開始進(jìn)入噴管擴(kuò)張段。

進(jìn)一步的，本發(fā)明還提供了一種基于上述方法的非定常環(huán)形射流控制噴管結(jié)構(gòu)，包括收斂段和擴(kuò)張段，所述擴(kuò)張段內(nèi)外壁之間沿噴管軸向設(shè)置不少于兩組將噴管內(nèi)部與外部連通的環(huán)形射流通孔。詳細(xì)如下：

一，所述噴管加裝在脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)尾部，噴管擴(kuò)張段的型面可設(shè)計(jì)為鐘形型面，以達(dá)到通過射流控制后的擴(kuò)張段主流型面流暢的效果。

噴管喉部面積取比發(fā)動(dòng)機(jī)填充進(jìn)程中最低總壓時(shí)的最佳喉部面積略小的值，噴管最佳喉部面積即為噴管喉部達(dá)到音速時(shí)的臨界面積值，一般噴管喉部面積取最低總壓工況時(shí)臨界面積的80％-90％，以保證在最低總壓工況下該結(jié)構(gòu)火箭式脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)(PDRE)噴管喉部為臨界流動(dòng)。

一般喉部面積的計(jì)算方式如下：

(1)測(cè)得發(fā)動(dòng)機(jī)填充時(shí)噴管入口的馬赫數(shù)?；蛘哂商畛鋾r(shí)氣流總壓和靜壓推算噴管入口馬赫數(shù)，三者關(guān)系式為：

式中γ為氣流的比熱容比，p為填充氣流靜壓，p^*為填充氣流總壓，M即為噴管入口馬赫數(shù)。

(2)根據(jù)噴管入口馬赫數(shù)和噴管入口面積推算臨界喉部面積，三者關(guān)系式為

式中A_cr即為噴管臨界喉部面積，A為噴管入口面積，M仍為噴管入口馬赫數(shù)。

二，在所述擴(kuò)張段內(nèi)外壁之間沿噴管軸向設(shè)置不少于兩組將噴管內(nèi)部與外部連通的環(huán)形射流通孔，所述射流通孔用于引入環(huán)形射流，所述射流通孔沿噴管軸線方向等間距設(shè)置，環(huán)形射流對(duì)主流控制呈現(xiàn)軸對(duì)稱型，控制均勻，能夠使主流出口的推力合力方向平行于發(fā)動(dòng)機(jī)中心軸。具體射流需要布置在過膨脹出現(xiàn)位置之前，射流位置過于靠后會(huì)導(dǎo)致噴管中心軸線上出現(xiàn)亞音速流動(dòng)小區(qū)域團(tuán)。因此距離噴管喉部最近的第一股射流到噴管喉部的距離應(yīng)小于喉部直徑的0.2倍。射流總壓設(shè)置需要保證：在PDE排氣后期噴管內(nèi)出現(xiàn)過膨脹時(shí)，射流開始進(jìn)入噴管擴(kuò)張段。射流總壓增加至射流入射壓力趨于穩(wěn)定即可，不能過大，否則導(dǎo)致射流入射馬赫數(shù)過大。

環(huán)形射流通孔有以下兩種設(shè)置方式：

第一種，每組射流通孔由注流孔、環(huán)形通道和出流環(huán)孔組成，所述環(huán)形通道為擴(kuò)張段管壁中的環(huán)形內(nèi)腔，所述注流孔為將環(huán)形通道與噴管外部連通的圓柱孔，所述出流環(huán)孔為連通環(huán)形通道與擴(kuò)張段內(nèi)壁且沿周向均布的圓柱孔。

進(jìn)一步的，所述環(huán)形通道的截面形狀為矩形或圓形，每個(gè)環(huán)形通道的截面積為該組射流通孔中出流環(huán)孔的總截面積的85％-110％。

進(jìn)一步的，所述注流孔與噴管的中心軸線垂直設(shè)置且注流孔的延長(zhǎng)線不與出流環(huán)孔的外圓相交，每組射流通孔包括不少于三個(gè)沿周向均布的注流孔。

進(jìn)一步的，所述出流環(huán)孔沿噴管的徑向方向設(shè)置，這樣能保證環(huán)形射流入射角度采用90°入射角，效果更好。出流環(huán)孔的直徑范圍為0.001-0.002m，深度為0.001-0.003m，每組射流通孔中相鄰出流環(huán)孔的距離為0.002-0.004m。

進(jìn)一步的，所述每個(gè)注流孔中對(duì)應(yīng)插入射流供氣管，所述射流供氣管由與噴管中心軸線平行和與噴管中心軸線垂直的兩段進(jìn)氣直管組成。

第二種，每組射流通孔由周向均布的圓柱形通孔組成，每個(gè)圓柱形通孔沿噴管的徑向設(shè)置，同樣保證射流入射角度采用90°入射角，每個(gè)圓柱形通孔直徑范圍為0.001-0.002m，每組射流通孔中相鄰圓柱形通孔的距離為0.002-0.004m。每個(gè)圓柱形通孔對(duì)應(yīng)插入射流供氣管，所述射流供氣管由與噴管軸線平行和與噴管軸線垂直的兩段進(jìn)氣直管組成。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是：

本發(fā)明通過在傳統(tǒng)拉伐爾噴管擴(kuò)張段壁面特定位置引入與中心主流馬赫數(shù)相差很大的小股環(huán)形亞音速射流，在主流外側(cè)形成新的控制面，達(dá)到主流實(shí)際型面和出口面積可控的效果。同時(shí)由于引入的射流為環(huán)形射流，控制均勻，能達(dá)到噴管出口氣流仍成軸對(duì)稱型的效果，發(fā)動(dòng)機(jī)推力方向沿噴管軸線，使主流實(shí)際膨脹比更接近最佳值，有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推力系數(shù)，便于推力控制。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例一噴管的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例一噴管擴(kuò)張段的左視圖。

圖3是圖1中A-A面剖視圖。

圖4是圖1中B-B面剖視圖。

圖5是圖3中C-C面剖視圖。

圖6是本發(fā)明實(shí)施例二噴管的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7是圖6中D-D面剖視圖。

圖8是圖7中E-E面剖視圖。

圖9是常規(guī)拉伐爾噴管在PDRE排氣后期出現(xiàn)過膨脹現(xiàn)象時(shí)馬赫數(shù)流場(chǎng)圖。

圖10是本發(fā)明噴管改善過膨脹現(xiàn)象后的馬赫數(shù)流場(chǎng)圖。

圖中：1—收斂段；2—擴(kuò)張段；3—喉部；4—注流孔；5—環(huán)形通道；6—出流環(huán)孔；7—圓柱形射流通孔。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

一種提高脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)推力系數(shù)的方法，在脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)尾部噴管擴(kuò)張段壁面向噴管內(nèi)部沿噴管軸向方向等間距引入不少于兩組的環(huán)形射流，距離噴管喉部最近的一組射流需要布置在過膨脹現(xiàn)象出現(xiàn)位置之前；每組環(huán)形射流沿周向均勻布置，射流沿與噴管中心軸線垂直的徑向方向進(jìn)入噴管，環(huán)形射流對(duì)主流控制呈現(xiàn)軸對(duì)稱型，在主流外側(cè)形成新的控制面，能夠使主流出口的推力合力方向平行于發(fā)動(dòng)機(jī)中心軸，使主流實(shí)際膨脹比更接近最佳值，以此來提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推力系數(shù)。

其中，射流總壓設(shè)置需要保證：在脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)排氣后期噴管內(nèi)出現(xiàn)過膨脹時(shí)，射流開始進(jìn)入噴管擴(kuò)張段；噴管的喉部面積為噴管喉部達(dá)到音速時(shí)的臨界面積的80％-90％。

適用上述方法的一種非定常環(huán)形射流控制噴管，該噴管設(shè)置在脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)尾部，如圖1所示，所述噴管為收斂擴(kuò)張型噴管，為軸對(duì)稱型,設(shè)計(jì)加工方便，包括收斂段1和擴(kuò)張段2，收斂段1的型面為錐形，擴(kuò)張段2的型面可設(shè)計(jì)為鐘形型面，以達(dá)到通過射流控制后的擴(kuò)張段2主流型面流暢的效果。

具體的，針對(duì)直徑為0.06m的兩相火箭式脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的非定常環(huán)形射流控制噴管，噴管入口直徑(d₁)為0.06m，噴管的喉部3直徑和出口直徑為關(guān)鍵數(shù)據(jù)，需要通過流體計(jì)算和仿真模擬得到，計(jì)算后最佳喉部直徑(d₂)為0.039m，出口直徑(d₃)為0.086m。

實(shí)施例一

結(jié)合圖1-5，在上述噴管擴(kuò)張段管壁中設(shè)置三組環(huán)形射流通孔，每組射流通孔由注流孔4、環(huán)形通道5、出流環(huán)孔6組成。具體的第一組射流通孔由注流孔41、環(huán)形通道51和出流環(huán)孔61組成，第二組射流通孔由注流孔42、環(huán)形通道52和出流環(huán)孔62組成，第三組射流通孔由注流孔43、環(huán)形通道53和出流環(huán)孔63組成，所述環(huán)形通道5為擴(kuò)張段管壁中的環(huán)形內(nèi)腔，所述注流孔4為將環(huán)形通道5與噴管外部連通的圓柱孔，所述出流環(huán)孔6為連通環(huán)形通道5與擴(kuò)張段內(nèi)壁的沿周向均布的圓柱孔。

通過仿真模擬計(jì)算得出，第一組射流通孔與噴管喉部之間的軸向距離為0.006-0.008m，第二組射流通孔與第一組射流通孔之間的軸向距離為0.006-0.008m，第三組同樣，與第二組射流通孔之間的軸向距離為0.006-0.008m。

出流環(huán)孔6沿噴管的徑向方向設(shè)置，這樣能保證環(huán)形射流入射角度采用90°入射角，效果更好。通過仿真計(jì)算得出，出流環(huán)孔6的直徑范圍優(yōu)選0.001-0.002m，且每組射流通孔中相鄰出流環(huán)孔6之間相距0.002-0.004m。當(dāng)然也不限于此距離，只要能保證環(huán)孔兩側(cè)噴管連接的穩(wěn)定性，防止噴管斷開即可。出流環(huán)孔6深度可取0.001-0.003m，不要太深，以防止在小孔中流動(dòng)損失太大。

每組射流通孔中的出流環(huán)孔6分別沿噴管徑向聯(lián)通有環(huán)形通道5。為保證射流在環(huán)形通道5中和出流環(huán)孔6中速度接近，每個(gè)環(huán)形通道5的截面積應(yīng)接近該組射流通孔中的所有出流環(huán)孔6的總截面積之和，具體可以為該組射流通孔中出流環(huán)孔的總截面積的85％-110％。針對(duì)本設(shè)計(jì)尺寸，環(huán)形通道51可設(shè)計(jì)3mm寬，8mm深的矩形通道；環(huán)形通道52可設(shè)計(jì)3.5mm寬，9mm深的矩形通道；環(huán)形通道53可設(shè)計(jì)4mm寬，9mm深的矩形通道。當(dāng)然該環(huán)形通道5也可設(shè)計(jì)成圓形截面，只要滿足環(huán)形通道的截面積接近對(duì)應(yīng)組的所有出流環(huán)孔6的總截面積之和即可。

結(jié)合圖5，每組射流通孔中設(shè)置三個(gè)沿周向均布的注流孔4，注流孔4用于將環(huán)形通道5與噴管外部連通，注流孔4與噴管的中心軸線垂直且與徑向成一定角度布置，角度要求能保證通過注流孔4的射流只能直接到達(dá)環(huán)形通道5中，不能到達(dá)出流環(huán)孔6中，即滿足注流孔4的延長(zhǎng)線不與出流環(huán)孔6的外圓相交即可。注流孔4直徑大小與環(huán)形通道5的寬度相同，每個(gè)注流孔4中對(duì)應(yīng)插入射流供氣管，所述射流供氣管由與噴管中心軸線平行和與噴管中心軸線垂直的兩段進(jìn)氣直管組成,優(yōu)選為每組射流通孔中的三個(gè)注流孔4入射位置在軸向上相互錯(cuò)開，這樣便于將與注流孔連接的供氣管錯(cuò)開布置。

實(shí)施例二

結(jié)合圖6-8，在上述噴管擴(kuò)張段內(nèi)外壁之間設(shè)置三組環(huán)形射流通孔，每組射流通孔由沿噴管周向均布的圓柱形通孔7組成，通過仿真模擬得到，距離噴管喉部最近的第一組射流通孔71與噴管喉部之間的軸向距離為0.006-0.008m，第二組射流通孔72與第一組射流通孔71之間的軸向距離為0.006-0.008m，第三組射流通孔73同樣，與第二組射流通孔72之間的軸向距離為0.006-0.008m。

圓柱形通孔7沿噴管的徑向設(shè)置，圓柱形通孔7直徑優(yōu)選0.001-0.002m，每組射流通孔中相鄰圓柱形通孔的距離為0.002-0.004m，當(dāng)然也不限于此距離，只要能保證環(huán)孔兩側(cè)噴管連接的穩(wěn)定性即可，即打孔后噴管不要被氣流沖斷即可。

每個(gè)圓柱形通孔7中都對(duì)應(yīng)插入射流供氣管，所述射流供氣管由與噴管中心軸線平行和與噴管中心軸線垂直的兩段進(jìn)氣直管組成，在大于噴管入口截面處分層次拐彎。

當(dāng)然本發(fā)明的射流通孔不限于上述兩種設(shè)計(jì)方式，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可作各種的更動(dòng)。

噴管工作過程如下：

脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程包括隔離、填充、爆轟和排氣四個(gè)階段，

該環(huán)形射流控制噴管設(shè)置總溫總壓需要達(dá)到如下效果：(1)在爆轟波進(jìn)入噴管階段噴管滿負(fù)荷工作，設(shè)置的射流總壓和總溫需要保證射流在此階段不進(jìn)入噴管擴(kuò)張段；(2)噴管在排氣的初階段滿負(fù)荷工作；(3)當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣進(jìn)入過膨脹階段，設(shè)置的射流總壓需要保證射流能夠入射，此時(shí)噴管通過射流設(shè)置動(dòng)邊界，形成新的射流邊界和膨脹比；(4)當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于隔離和填充進(jìn)程中，仍有過膨脹現(xiàn)象出現(xiàn)，亦需要射流對(duì)噴管邊界進(jìn)行控制。因此需要在排氣后期射流開始進(jìn)入噴管擴(kuò)張段。

為了達(dá)到上述效果，通過仿真計(jì)算設(shè)置各射流的入射總壓，第一組射流入射總壓較佳取值范圍為0.181Mpa-0.207Mpa，第二組射流為0.136Mpa-0.155Mpa，第三組射流為0.104Mpa-0.116Mpa。需要注意三組射流因位置不同需要設(shè)置不同的射流總壓，從左至右由小到大，因?yàn)椴煌恢脤?duì)應(yīng)噴管滿流時(shí)流體的壓力不同。如果各組射流入射總壓相同，靠近噴管出口的第三組射流會(huì)提前射入，甚至?xí)趪姽芪催_(dá)到過膨脹時(shí)入射，此時(shí)并不能起到調(diào)節(jié)超音速主流流動(dòng)的效果，浪費(fèi)制備的射流，且影響主流的整體膨脹效果。

該射流控制動(dòng)邊界噴管的工作效果如圖10所示，圖9為常規(guī)拉伐爾噴管在PDRE排氣后期出現(xiàn)過膨脹現(xiàn)象時(shí)的馬赫數(shù)流場(chǎng),此時(shí)噴管內(nèi)出現(xiàn)的激波將流體從超音速瞬間降為亞音速，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的推力系數(shù)；圖10則為運(yùn)用本設(shè)計(jì)噴管后的改善現(xiàn)象，圖中流線不再呈發(fā)散型，射流壓迫中心超音速主流向中心軸貼近，射流對(duì)主流流動(dòng)進(jìn)行干擾，在噴管靠近壁面處形成亞音速流動(dòng)區(qū)域代替超音速流動(dòng)，形成新的射流界面，降低噴管膨脹比，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)推力系數(shù)。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于以上的實(shí)施例，凡基于本發(fā)明內(nèi)容所實(shí)現(xiàn)的技術(shù)均屬于本發(fā)明的范圍。