● 摘要
随着传统燃气涡轮发动机技术发展的日趋完善，新概念发动机——脉冲爆震发动机和新型冲压发动机的研究越来越得到人们的重视。脉冲爆震发动机具有结构简单，推重比高，热效率高等优势，但其单管推力较小，工作频率受限制约了脉冲爆震发动机的应用与发展，高温高压高速的爆震波无法直接得到应用也在一定程度上造成了能源的浪费。冲压发动机具有结构简单，高增压比，高推力的优点，但由于其特殊的工作原理，静止来流条件下冲压发动机无法自启动，低速来流条件下发动机性能较差成为了冲压发动机的一个缺陷，现阶段解决这两种不同形式发动机工作缺陷的方法是与传统发动机相组合，达到各自工作的适用条件，随后，进一步展开工作。
本文基于Fluent从研究脉冲爆震发动机高能爆震波的应用角度出发，总结脉冲爆震发动机和冲压发动机功能上的优势与劣势，通过简化二者的物理模型，建立脉冲爆震发动机与类冲压式机匣的结构组合，研究以爆震波这种具有化学能的强激波的增推增压应用机制，分析方案的可行性，探索其影响规律。
脉冲爆震领域主要研究方式都基于实验研究开展，爆震波的高温高压高速特性为实验测量带来极大的挑战，针对缺少完整爆震波参数的情况，首先进行了脉冲爆震过程的数值模拟工作，得到了完整的爆震波参数（包括总温、总压、静压、传播速度等），并以燃料组合当量比为变量，发现了当量比对爆震波发生的影响规律，对于乙炔-空气混合气体燃料而言，用于爆震燃烧的最佳当量比为1，此时获得充分发展的爆震波能量达到最大。
随后，以超声速爆震波为研究对象，进行爆震波在自由大气环境中的数值模拟，得到完整、可信的超声速射流流场，证明了基于Fluent进行超声速爆震射流模拟方法的正确性。在此研究基础上，本文简化了爆震发动机结构，建立了不同机匣组合的机构形式（扩张型机匣、收缩型机匣、扩张-收缩型机匣、收缩扩张型机匣、直圆管机匣），探究不同形式机匣几何参数、气动参数对于爆震波引射能力及非定常强激波增压增推的定性规律。结果表明：对于机匣直径和长度，其存在一个最佳参数，能够保证爆震引射能力达到最大，同时也能够保证其增压和增推能力有所提升。除此之外，结果还得出：爆震管出口与机匣进口的相对位置对于爆震引射能力没有直接的影响。基于以上结果，本文初步确立了不同形式机匣机构的基本几何参数，进而将讨论非定常强激波增推、增压方式的可行性和增益效果。
在进行非定常强激波增推机制研究过程中，发现由于高速爆震波传播过程中因受到复杂激波系统的影响，并且与引射流体之间的热交换作用，使得爆震波能量衰减很快。同时，在没有旋转机构做功，且不引入新的能量的前提下，利用变几何形式机匣产生的气动影响对整个系统增压与增推的增益是有限的。因此，考虑到爆震波引射应用的实际工作过程，本文引入了相对来流速度（0.8马赫以下）。研究发现，在考虑相对来流速度的前提下，爆震发动机与机匣组合的系统可以实现非定常强激波增推。本文采用这样的结构，在保证脉冲爆震发动机原本工作优势的前提下，利用爆震波引射特性，实现了增推效果，保证了脉冲爆震发动机的经济性能，同时，也为解决低来流马赫数条件下的冲压发动机无法自启动问题提供了研究思路。