1、脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)(Pulse Detonation Engine，簡(jiǎn)稱PDE)是利用間歇式爆轟波產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)庑纬赏屏Φ囊环N新概念發(fā)動(dòng)機(jī)。PDE具有循環(huán)熱效率高、比沖大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕和推重比高等優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)的航空航天與兵器領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但是PDE在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的脈沖噪聲和強(qiáng)振動(dòng)直接影響到飛行器隱身以及結(jié)構(gòu)聲疲勞等，對(duì)PDE整體性能以及飛行器安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。隨著PDE技術(shù)的快速發(fā)展和各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的突破，PDE聲學(xué)性能

2、逐漸受到了重視，對(duì)PDE的聲學(xué)性能進(jìn)行研究非常必要。本文搭建了能夠準(zhǔn)確調(diào)節(jié)填充系數(shù)的氣液兩相PDE爆轟噪聲實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究了多循環(huán)下PDE管型與裝填條件(包括填充系數(shù)與當(dāng)量比)對(duì)爆轟噪聲特性的影響。同時(shí)以PDE爆轟噪聲為研究對(duì)象，對(duì)爆轟噪聲形成與傳播過(guò)程進(jìn)行理論建模，并編制相關(guān)數(shù)值計(jì)算程序?qū)ΡZ噪聲形成與傳播過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。本文的主要工作如下:
　　(1)搭建了氣液兩相PDE爆轟噪聲實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了不同區(qū)域內(nèi)爆轟噪聲的測(cè)量，并對(duì)爆

3、轟噪聲時(shí)域上的物理特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。研究表明PDE爆轟噪聲主要由沖擊噪聲與射流噪聲組成。沖擊噪聲與射流噪聲都隨著距離的增加而減小。當(dāng)距離較近時(shí)，射流噪聲衰減速度小于沖擊噪聲衰減速度;當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)，射流噪聲衰減速度大于沖擊噪聲衰減速度。爆轟噪聲聲壓曲線呈現(xiàn)明顯的L型變化規(guī)律，拐點(diǎn)之前爆轟噪聲峰值與徑向距離r的倒數(shù)滿足三次方變化規(guī)律;拐點(diǎn)之后爆轟噪聲峰值與徑向距離r的倒數(shù)滿足一次方變化規(guī)律。隨著距離的增加，0°方向上爆轟噪聲A持續(xù)時(shí)間先減

4、小后增加，B持續(xù)時(shí)間隨著距離增加而增加。當(dāng)距離r較小時(shí)，隨著角度的增加，沖擊噪聲峰值與射流噪聲峰值隨之減小;當(dāng)距離r較大時(shí)，指向性發(fā)生變化，30°方向的PDE沖擊噪聲峰值與射流噪聲峰值最大。
　　(2)針對(duì)爆轟噪聲特性，將PDE爆轟噪聲聲場(chǎng)劃分為強(qiáng)非線性區(qū)、弱非線性區(qū)和線性區(qū)三個(gè)區(qū)域。同時(shí)對(duì)爆轟波在管內(nèi)形成與傳播以及爆轟噪聲在強(qiáng)非線性和弱非線性區(qū)內(nèi)傳播過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。其中爆轟波在管內(nèi)形成與傳播以及爆轟噪聲在強(qiáng)非線性區(qū)傳播采用粘性

5、N-S方程進(jìn)行描述，并采用時(shí)空守恒元和求解元方法(簡(jiǎn)稱CE/SE方法)進(jìn)行求解;弱非線性區(qū)域采用The Nonlinear Progressive-wave Equation(簡(jiǎn)稱NPE方程)進(jìn)行描述，并采用時(shí)間分裂方法將NPE方程分解成兩項(xiàng)，分別使用CE/SE方法與C-N方法進(jìn)行求解。研究發(fā)現(xiàn)渦的形成與發(fā)展對(duì)中心軸線上膨脹腔結(jié)構(gòu)形成具有重大影響，進(jìn)而導(dǎo)致爆轟噪聲中射流噪聲波形發(fā)生震蕩。在弱非線性區(qū)內(nèi)，隨著傳播距離的增加，非線性作用累積

6、，爆轟噪聲波形發(fā)生畸變同時(shí)爆轟噪聲波形峰值后移。
　　(3)采用傅里葉變換與小波變換，研究爆轟噪聲在全部和局部時(shí)間范圍的頻域特性。根據(jù)爆轟噪聲在不同小波系數(shù)下的能量比例不同，提出判別PDE工作狀態(tài)的新方法(η11/η5小于5為爆燃階段，η11/η5大于5為爆轟階段)。研究表明爆轟噪聲屬于寬頻噪聲，在0～100kHz范圍內(nèi)均有信號(hào)存在，爆轟噪聲頻域信號(hào)由基頻和諧頻組成。在10～100Hz頻段內(nèi)，隨著頻譜中爆轟噪聲頻率的增加，爆轟噪聲

7、信號(hào)強(qiáng)度基本保持不變;在100～1000Hz頻段內(nèi)，隨著頻譜中爆轟噪聲頻率的增加，爆轟噪聲信號(hào)強(qiáng)度先減弱后增強(qiáng);而在1000～100kHz頻段內(nèi)，隨著頻譜中爆轟噪聲頻率的增加，PDE爆轟噪聲頻點(diǎn)聲壓級(jí)總體上呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。隨著角度增加，在100～1000Hz頻段內(nèi)爆轟噪聲信號(hào)強(qiáng)度降低。儀器和導(dǎo)線等實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)備和外界環(huán)境造成的噪聲能量主要在500～1000kHz頻段內(nèi);爆轟噪聲中較為陡峭的上升沿能量主要在15.62～125kHz頻段內(nèi);爆

8、轟噪聲原始信號(hào)能量主要集中在0～0.98kHz頻段內(nèi)。爆燃階段，爆燃噪聲能量在中高頻與低頻均有較高的能量分布;爆轟階段，爆轟噪聲能量主要集中在低頻;管外爆轟階段爆轟噪聲能量低頻集中效應(yīng)加劇。
　　(4)在搭建的氣液兩相PDE爆轟噪聲實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)上，研究了PDE管徑、噴管形狀與引射器對(duì)爆轟噪聲特性的影響。研究表明隨著管徑增大，所有角度下所有位置處爆轟噪聲峰值均增加。管徑越小，指向性由0°方向最大轉(zhuǎn)變?yōu)?0°方向最大的距離越短。當(dāng)距離

9、較近時(shí)，管徑增大，爆轟噪聲A持續(xù)時(shí)間增加，當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)，正好相反。噴管能有效減小爆轟噪聲峰值，其中收斂擴(kuò)張噴管降噪效果最好。收斂噴管收斂角度越大，指向性越明顯;相反的，擴(kuò)張噴管和收斂擴(kuò)張噴管出口口徑越大，指向性越不明顯。噴管有利于減小PDE爆轟噪聲參考半徑r0。對(duì)于擴(kuò)張噴管而言，擴(kuò)張角度越大，r0越小;對(duì)于收斂噴管而言，收斂角度越大，r0越小。加裝擴(kuò)張噴管，幾乎所有頻率下的爆轟噪聲信號(hào)強(qiáng)度均下降，并且隨著擴(kuò)張角度增加，減弱效果愈加明顯。

10、引射器長(zhǎng)度增加，PDE推力增益增加并且有效聲壓級(jí)降低。所有形狀下的引射器均能增加PDE推力并降低有效聲壓級(jí)，其中擴(kuò)張引射器效果最好。PDE推力增益與有效聲壓值均隨著引射器距管口距離的增加先增加后降低。綜合降噪與推力增益，可以得出最佳的引射器為x/DPDE=2、LEjector/DEjector=2.61下的擴(kuò)張引射器。
　　(5)采用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物中的H2O組分進(jìn)行了測(cè)量，搭建了能夠準(zhǔn)確調(diào)節(jié)氣液兩相PDE填

11、充系數(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分析了當(dāng)量比、填充系數(shù)對(duì)爆轟噪聲特性影響，同時(shí)對(duì)爆轟噪聲傳播時(shí)間誤差進(jìn)行分析，并對(duì)其進(jìn)行抑制。研究表明點(diǎn)火時(shí)間間隔隨著填充系數(shù)的增加而增大，但并非呈理想的正比例關(guān)系。隨著填充系數(shù)的增加，沖擊噪聲峰值與射流噪聲峰值隨之增大;在爆燃與爆轟的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，沖擊噪聲峰值與射流噪聲峰值顯著增加。隨著填充系數(shù)的增加，當(dāng)距離較近時(shí)指向性明顯，當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)指向性不明顯。隨著填充系數(shù)增加，10～50Hz頻段內(nèi)的爆轟噪聲信號(hào)強(qiáng)度增強(qiáng)，50～20

12、0Hz頻段內(nèi)的爆轟噪聲信號(hào)強(qiáng)度減弱。爆轟噪聲峰值、A持續(xù)時(shí)間與爆轟噪聲信號(hào)強(qiáng)度均隨著當(dāng)量比增加先增加后減小，在當(dāng)量比為1.1時(shí)，達(dá)到最大。利用光電傳感器采集點(diǎn)火頭點(diǎn)火時(shí)產(chǎn)生的光信號(hào)，以此判斷點(diǎn)火頭點(diǎn)火時(shí)間誤差可以忽略不計(jì)。爆轟噪聲最大到達(dá)時(shí)間誤差出現(xiàn)在0°方向上最高的填充系數(shù)下，達(dá)328.22μs。其中管內(nèi)爆轟波傳播最大時(shí)間間隔誤差發(fā)生在過(guò)驅(qū)爆轟波形成階段，而管外爆轟噪聲最大時(shí)間間隔誤差發(fā)生在強(qiáng)非線性區(qū)。加裝收斂噴管明顯減小爆轟噪聲到達(dá)