复杂爆轰波系环境下爆轰声波形成机理及控制方法研究

Continuous detonation sound with high power from pulsed detonation engine plays important role in aircraft stealth and structural sound fatigue. The detonation sound research has been an important topic in the process of application of pulsed detonation engine. The formation mechanism of detonation sound is studied under the condition of complex waves from the detonation. The near field, transition zone and far field are divided in the outer flow of detonation source according to the nonlinear feature of the sound. The nonlinear progressive-wave equation is utilized in the transition zone to establish a physical model and numerical calculation method with high accuracy is developed for the investigation of interaction of sound and wave in detonation process. Tunable diode laser absorption technology and dynamic sensors for multi parameters measurement are researched. The formation and feature variation of detonation sound is mastered using wavelet analysis. The control of detonation sound is carried out to realize the improvement of pulse detonation engine design and operation. The research would enrich the theory of nonlinear sound and broaden the fields of traditional sound. The results would be useful for application of pulsed detonation engine in aircraft power system to improve the research level of propulsion technology in the new generation.

脉冲爆轰发动机工作过程中产生的持续高强度爆轰声波直接影响飞行器隐身以及结构声疲劳等性能，是脉冲爆轰发动机应用研究中的重要难题。本项目专注于爆轰过程复杂波系环境下爆轰声波形成机理研究。根据爆轰声波非线性程度将爆轰源外流场合理划分为近场、过渡区以及远场区域，采用NPE方程对爆轰源过渡区进行物理建模并研究高精度爆轰声波数值计算方法，深入探索爆轰波系与爆轰声波之间相互耦合作用；研究非接触式激光吸收光谱测试技术、动态传感器测试方法等爆轰环境多物理场测试手段，结合小波分析等信号处理方法，掌握爆轰声波形成及特性变化规律；在此基础上研究爆轰声波控制技术，优化脉冲爆轰发动机结构设计与运行控制参数。研究结果不但将丰富非线性声学的理论和内涵，拓宽了传统声学研究领域，同时还将推动脉冲爆轰发动机技术工程化应用进程，提升以脉冲爆轰发动机为动力系统的飞行器整体性能，提高我国在新一代超音速推进技术中的研发水平。

作为一种动力装置，瞬间的压力释放会引起大幅振动并产生较大噪声。脉冲爆轰发动机工作过程中产生的持续高强度爆轰声波直接影响飞行器隐身以及结构声疲劳等性能。研究并利用PDE爆轰噪声的物理特性及传播规律来有效地降低噪声对相关人员和设备自身的干扰和危害是脉冲爆轰发动机应用研究中的急需解决的问题。. 本项目针对航空航天与兵器领域爆轰推进技术中爆轰声波形成及控制机理展开了研究。针对爆轰噪声形成机理研究，提出将PDE爆轰噪声声场划分为强非线性区、弱非线性区和线性区三个区域，强非线性区传播采用时空守恒元和求解元方法进行求解，弱非线性区域采用NPE方程进行描述，计算得到了脉冲爆轰声波形成与发展过程；针对爆轰噪声特性及组成展开研究，得到了不同角度和传播距离爆轰噪声的波形、声压级、衰减规律等物理参数，研究表明爆轰噪声主要由冲击噪声和射流噪声组成，近场噪声衰减速率与传播距离三次方成反比，远场衰减速率与传播距离成反比，爆轰噪声频谱能量主要集中在2kHz以下中低频段；针对近场及过渡区测试技术研究，提出了基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的流场在线测试技术，研制了一套光纤分布式激光吸收光谱测试系统，实现对于脉冲爆轰发动机管内和管外燃气组分浓度、温度、速度等多参数同步测量。针对爆轰声波近远场分界问题，提出了爆轰声波速度判定方法，确定了近远场分界点；针对喷管对爆轰声波的影响展开研究，结果表明喷管能有效减小爆轰噪声峰值，收敛喷管收敛角度越大指向性越明显，喷管可减小爆轰噪声参考半径，加装扩张喷管所有频率下爆轰噪声信号强度均下降；针对脉冲爆轰发动机噪声抑制方法，指出收敛扩张喷管降噪效果最好。提出了多管PDE工作同步性主动控制技术，提高了PDE从点火到爆轰波溢出管口所需时间的一致性，进而有效地减小了爆轰声波的持续时间。. 研究结果将推动脉冲爆轰发动机技术工程化应用进程，提升以脉冲爆轰发动机为动力系统的飞行器整体性能。