文献综述

1.1 背景意义

脉动燃烧发动机是一种按照一定的频率产生高温、高速气流且推力周期变化的喷气发动机，它的效率高，但是使用不够方便。脉动燃烧发动机主要有单喷管、双喷管和螺旋喷管这三类，目前的测试用台架在实验过程中需要根据不同种类调整支撑架。并且油箱、气筒、电池等位置摆放比较随意，在测试阶段，各种测试仪器较为笨重、测试高度固定且不易活动，目前测试用台架老旧且不符合人机工程学。根据国内外发动机测试内容和试验台的设计经验，对目前的试验台进行改进设计，为研制更加完善、功能更全面的新型试验台作技术准备，对推动脉动燃烧发动机的研究和应用具有现实价值。因此，目前需要一款可以适用于不同类型喷管、不同测量高度和测试内容同时还可以移动的多功能试验台。同时，近年来,信息技术发展迅速,虚拟仿真技术在实验教学中的应用逐渐增多, 较大程度地克服了传统实验的弊端,其开放性、仿真性、安全性等优势给实验教学带来了巨大的改变。由于脉动燃烧实验具有一定的危险性，相关测试仪器要么贵重要么操作复杂，那么建立基于LabVIEW的脉动燃烧多物理场虚拟测试系统就显得至关重要。

本文的目的是设计一款可以适用于不同类型喷管、不同测量高度和测试内容同时还可以移动的多功能试验台，通过使用LabVIEW软件模拟脉动燃烧管运行的物理环境^[1]。虽然其不能完全替代硬件测试环境，但它却是对硬件测试的一种有效补充手段。它的优点在于使用相同的硬件就可以得到多种测量仪器，可以方便的编写仪器的测量程序，建立数据采集系统。LabVIEW具有经济实惠，编程简单迅速，使用方便的特点，可以有效提高生产效率。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

脉动燃烧的研究最早是在国外有所发展的。早在1777年,就有人观察到了脉动燃烧现象，可一直未受到人们的重视。直到70年代末以来发生的能源危机,促使人们对脉动燃烧技术重新产生极大兴趣,进行了系统的研究。80年代进入了实用开发阶段,欧、美、日等都致力于开发工业、商业及家用脉动燃烧装置,尤其以美国的脉动燃烧专利为多。由美国的AGA和Lennox公司共同研究开发LENNOX民用暖风机,在商业上大获成功,使人们对该技术的发展前景更加乐观^[2,3]。

从二十一世纪以来，越来越多的学者将目光投入到脉动燃烧这个领域中来。Christian McCaulley^[4]研究了用重油工作的脉动发动机,如煤油。结果表明25cm无阀式脉动发动机对燃料喷射位置很敏感,用重油工作时需要一个压力差缩短排气管长度对频率的影响和增大进气道直径对发动机压力的影响一样。最后,根据能量通量和压力比燃料消耗量的计算,认为丙烷比煤油更适合做脉动发动机的燃料,因为煤油蒸汽在燃烧过程中并没有完全消耗掉。Czeslaw从理论和实验上分析了脉动燃烧雾化干燥系统，建立了能够预测干燥室内速度和温度分布的模型^[5]。Kuts对脉动燃烧器燃气动力特性建立了模型^[6]。并且对于脉动燃烧器的尾管传热，正弦脉动流的传热特性，不同燃料下的脉动燃烧特性及其非线性特性都进行了一定的研究^[7-10]。

近年来，Kopp-Vaughan等对当量比的范围为0.85～1.05，进气管的雷诺数范围为1780～4450的甲烧预混燃烧驱动的Rijke型脉动燃烧器进行了实验研究。皮力、流速和由火焰释放的热量之间的帮合激发起Rijke管内的共振频率，这种共振引起了火焰前封面和形状的振荡，当火焰位置位于距下端四分之一时便会激发起燃烧室内的自激振荡，通过对压力振荡过程中热释放和火焰结构的测量，发现火焰面积和皮力最大之前的相位角之间的关系满足瑞利准则^[11]。Wei等对Rijke管内产生的热声不稳定的抑制进行了探索，Rijke管内由于压力振荡和非定常热释放之间存在着强烈的耦合作用，激发起管内噪声很大的声音，这种声音会对燃烧室的结构产生破坏。他提出了基于自适应控制的动态补偿方法来抑制噪声的产生，并通过实验的进行了验证，结果表明送种控制器可以有效地破坏Rijke管内的热声振荡^[12]。Dan等认为Rijke管内的燃烧不稳定可能是由扰动流的瞬时增长引起的，他们搭建了Rijke型预混脉动燃烧实验台并进行了脉动燃烧实验，同时创建了片状预混火焰为基础的脉动燃烧热声模型，模拟燃料供给流速波动引起火焰峰面的变化，从而产生热释放的不稳定。通过本征正交和扰动流的瞬态増长的分析都表明Rijke管是一种非常态的热声系统，并且这种非常态是由湿度分布和火焰位置的不同造成，同时找出了能够最易引起燃烧不稳定的火焰位置^[13]。以此为基础，他们硏究了液力区域对系统稳定性的影响，利用外加声源成功实现了对Rijke管内部振动的控制^[14]。另外，他们还设计了尾管带有两个分支的Rijke型脉动燃烧器并且利用它实现了由热声振动向电能转换的过程，并且与热传导驱动的热声压电系统相比，电能增加了60%，能量转化效率増加了105%^[15]。