圆盘结构下旋转爆震波传播特性的实验研究

为研究圆盘结构下旋转爆震波的传播特性,通过改变反应物的质量流率及当量比,在非预混圆盘形旋转爆震模型发动机（rotating denonation engine,RDE）上进行实验研究。结果表明,爆震波在圆盘形RDE上成功起始并能够连续传播,得到了两种传播模态:单波模态和双波模态,在发动机工作过程中发现,集气腔与燃烧室存在相互作用。当反应物质量流率小于159.20 g/s时,旋转爆震波以单波模态稳定传播,爆震波传播频率为4.56~4.62 kHz,越靠近燃烧室外圆,爆震波的压力峰值及传播速度越大;当质量流率大于186.89 m/s时,旋转爆震波以双波模态传播,传播频率为8.59~8.64 kHz。双波传播模态经历四个阶段:起爆阶段的单波段、稳定双波段、不稳定双波段、排气阶段转单波段。当质量流率介于159.20~186.89 g/s之间时,旋转爆震波以单/双波混合模态传播。反应物当量比在1附近时,爆震波的传播过程较稳定,偏离1,爆震波传播不稳定,初始阶段起爆失败或传播过程中存在间断。     

环缝宽度对旋转爆震发动机工作特性的影响

为研究环缝宽度对旋转爆震发动机(rotating detonation engine, RDE)工作特性的影响,在非预混RDE中进行实验,同时采用高频压力传感器、离子探针和高速摄影等测量设备,在同一入口质量流率的条件下,改变空气进气环缝宽度和燃烧室环缝宽度。获得了单波、双波、四波对撞及混合传播模态;当燃烧室环缝宽6 mm时,增加空气进气环缝宽度,爆震波由四波对撞转变为同向双波,最终以单波形式传播;而燃烧室环缝宽10或15 mm时,空气进气环缝宽度对爆震波传播模态的影响较小;此外,四波对撞模态下,爆震波压力峰值和离子信号峰值低于单波和双波模态时的值。     

当量比对汽油燃料两相旋转爆轰发动机工作特性影响实验研究

为了研究当量比对汽油燃料两相旋转爆轰发动机工作特性的影响,开展了以高总温空气为氧化剂的气液两相旋转爆轰实验研究。旋转爆轰发动机环形燃烧室外径、内径和长度分别为202、166和155 mm。汽油和高温空气采用高压雾化喷嘴与环缝对撞喷注的方式混合,以此提高推进剂的掺混效果与活性,采用预爆轰管作为点火装置。实验通过改变汽油质量流量改变推进剂当量比,并基于燃烧室内测得的高频动态压力和平均静压,对气液两相旋转爆轰波的传播模态和传播特性以及发动机的工作特性进行了详细分析。实验结果表明:在当量比为0.79～1.25时,燃烧室内均实现了旋转爆轰波的连续自持传播,且随着当量比的增加,爆轰波传播模态从双波对撞/单波的混合模态转变为单波模态;降低当量比至0.61～0.66,爆轰波传播稳定性变差,传播模态表现为间断爆轰以及零星爆轰;进一步降低当量比至0.53,爆轰波起爆失败。此外,燃烧室平均绝对压力与爆轰波平均传播频率均随着当量比的增加呈先增大后减小的趋势,极大值出现在当量比1.19附近。在此工况下获得了最佳实验结果,旋转爆轰波的平均传播频率为1 900.9 Hz,平均传播速度为1 110.8 m/s,与高频压力信号经快速傅里叶变换得到的主频基本一致,爆轰波传播速度存在严重亏损。     

喷管对水下爆轰气泡形态和压力特征影响的实验研究

针对具有不同类型喷管的爆轰管在水下爆轰中形成的燃气射流问题,搭建了爆轰实验平台,研究了单次爆轰过程中尾部喷管对水下气泡形态与压力特征的影响。采用数字粒子图像测速技术对高速摄影机拍摄得到的气泡脉动图片进行流场可视化分析,得到各喷管工况下的气泡速度场。为了确认爆轰管内是否形成稳定爆轰波,并观察爆轰波在气液两相界面上的透反射特性,爆轰管尾部安装有2个动态压力传感器,同时在距离喷管一定距离处设置一个水下爆炸传感器,以监测水中传播的压力波。结果表明：扩张喷管工况下的气泡脉动过程与直喷管工况基本一致,但扩张喷管提高了燃气射流速度,气泡膨胀体积更大;因为燃气射流的持续性,收敛喷管工况下的气泡脉动过程具有明显差异,气泡膨胀体积较小,但气泡二次脉动时长相较于一次脉动时长衰减更小;扩张喷管提高了气泡脉动强度,扩张喷管工况下的气泡脉动压力与透射冲击波压力远大于直喷管工况下的气泡脉动压力与透射冲击波压力;收敛喷管工况下的气泡脉动压力与透射冲击波压力都较小,但收敛喷管燃气射流的持续性减缓了气泡脉动压力的衰减速度。相比于直喷管,扩张喷管工况下的气泡脉动时间、气泡脉动压力与透射冲击波压力都更大。收敛喷管工况下的气泡...     

横向爆震射流起爆爆震过程的数值模拟

对氢气/空气化学恰当比混合物中横向喷射的爆震射流在爆震室中起爆爆震波的过程和机理进行了数值模拟,并探讨了爆震射流位置和填充速度对其的影响。结果表明:爆震波分叉传播后会发生衍射并衰减,但随后可在联焰管壁面产生高温高压区域,引发二次起爆。且联焰管距离爆震室推力壁越小,其形成的壁面效应越有助于爆震形成;填充速度越大,爆震波形成位置越靠前。     

流动系统中爆轰波传播特性的数值模拟

基于带化学反应的二维Euler方程,采用氢气/空气的9组分19步基元反应简化模型,对充有当量 比的氢气/空气预混气体的矩形爆轰流场中爆轰波的传播过程进行了数值模拟,讨论了均匀来流对爆轰波传 播的影响。数值结果表明,在均匀来流的影响下,上游方向上的燃烧强度大于C-J爆速,下游方向上的燃烧强 度小于C-J爆速;上游方向传播的爆轰波的阵面压力大于下游方向传播的爆轰波的阵面压力。所以,经典的 C-J爆轰理论并不适用于流动系统中爆轰波传播特性的研究。     

旋转爆震燃烧室轴向和周向长度对其出口流场压力和温度的影响

为了研究旋转爆震燃烧室与涡轮的匹配特性,利用二维欧拉方程数值研究了基于当量H₂/Air燃烧的旋转爆震燃烧室出口流场特性,对比分析了不同燃烧室轴向长度和周向长度出口总压脉动、总压畸变以及出口温度分布规律。结果表明:旋转爆震燃烧室在稳定工作状态下,其出口总压的脉动值会呈现周期性振荡;燃烧室尺度对发动机出口流场的不均匀性有很大影响,随着燃烧室轴向长度的增大或周向尺寸的减小,其出口总压脉动均值、畸变指数和出口温度分布系数均会减小,其出口流场均匀性提高。此外,爆震波高度随着周向尺寸的增大而增大;轴向尺寸对爆震波高度几乎不产生影响。     

爆震室壁面条件对脉冲爆震发动机爆震性能的影响

在爆震室内快速形成稳定传播的爆轰波是脉冲爆震发动机的关键．本文利用有限速率化学反应模型,考虑粘性、热对流,基于N-S方程对氢气与空气/氧气为反应混合物的爆震发动机爆震室内流场进行计算．从流场压力、速度、涡量、湍流动能等方面研究爆震室壁面条件对燃烧爆轰性能的影响,分析流场爆轰波压力与流场湍动能的关系,讨论可燃气体燃烧转爆轰的机理．结果表明：爆震室内燃烧爆轰机理受到化学反应能量释放、壁面摩擦效应、壁面与外界热交换的影响．在文中讨论的范围内,相比于半圆形和三角形的爆震室装置,矩形的爆震室增强装置能在更短的时间内得到较高的爆轰波压力和湍动能峰值．壁面粗糙层高度（粗糙度）影响爆震室的燃烧爆轰性质．当壁面粗糙度为0.15mm时,粗糙度对爆轰的激励作用大于抑制作用,能较快形成稳定的爆轰波,且推力为35.5N;随着壁面对流换热系数的增大,爆震室壁面的散热加剧．当壁面对流换热系数大于临界值2.6W/(m2·K)时,爆震室内不能形成稳定的爆震波．     

喷管结构形式对爆震发动机性能影响分析

为了研究喷管结构形式对爆震发动机性能的影响,本文以氢气和氧气混合物为例,对不同喷管结构形式的爆震发动机工作过程进行了数值模拟。模拟结果表明:采用收敛型喷管可以增加爆震管内压力,但会造成喷管内的负推力;采用扩张型喷管会使得喷管内的压力迅速下降,但可以提供正推力;采用收扩型喷管时喷管的冲量一般较低,但爆震管的冲量会有提升,可以显著提高爆震发动机性能。     

多循环脉冲爆震发动机流场数值研究

针对二维带有收敛扩张喷管的脉冲爆震发动机模型，采用带基元化学反应的Euler方程组和H2、空气的9组分20基元反应，对发动机在前六个工作循环的流场进行了数值模拟。通过对前几个循环流场进行比较，发现脉冲爆震发动机在第五个循环后流场就基本稳定，单循环得到的流场和多循环稳定后的流场有很大的差别，同时喷管对发动机内流场影响特别大。     

斜爆轰发动机的推力性能理论分析

爆轰燃烧具有释热快、循环热效率高的特点. 斜爆轰发动机利用斜爆轰波进行燃烧组织, 在高超声速吸气式推进系统中具有重要地位. 以往研究主要关注斜爆轰波的起爆、驻定以及波系结构等, 缺少从整体层面出发对斜爆轰发动机开展推力性能分析. 本文将斜爆轰发动机内的流动和燃烧过程分解成进气压缩、燃料掺混、燃烧释热和排气膨胀4个基本模块并分别进行理论求解, 建立了斜爆轰发动机推力性能的理论分析模型. 在斜爆轰波系研究成果的基础上, 选取了过驱动斜爆轰、Chapman?Jouguet斜爆轰、过驱动正爆轰和斜激波诱导等容燃烧等4种燃烧模式来描述燃烧室内的燃烧释热过程, 并对比分析了不同燃烧模式对发动机比冲性能的影响. 此外, 还获得了不同来流参数、燃烧室参数和进排气参数等对发动机推力的影响规律, 发现来流马赫数和尾喷管的膨胀面积比是发动机理论燃料比冲的主要影响因素. 最后, 结合以往关于受限空间内斜爆轰波驻定特性等方面的研究成果, 提出了斜爆轰发动机燃烧室的设计方向.      

液态燃料对连续旋转爆轰发动机爆轰特性的影响

为了研究液态燃料对连续旋转爆轰发动机爆轰特性的影响,采用CE/SE方法对以汽油/富氧空气为燃料的CRDE进行数值模拟,分析了不同液滴半径、当量比对爆轰性能参数的影响。计算结果表明:随着液滴半径增大,爆轰压力峰值、温度峰值以及爆轰波速度均降低,且压力峰值与温度峰值在爆轰波传播过程中出现不稳定现象;当增大到70 μm时,爆轰波将无法成功起爆。随着当量比的增大,CRDE爆轰波速度及平均推力增大,爆轰压力、温度以及气相周向速度的峰值均先增大后减小。在当量比1.1附近,爆轰压力与温度的峰值出现极大值;而气相周向速度峰值的极大值出现在当量比0.9附近。基于燃料的比冲随着当量比增大而减小。     

Detonation combustion of hydrogen in a convergent-divergent nozzle with a central coaxial cylinder

The feasibility of steady detonation combustion of a hydrogen-air mixture entering at a supersonic velocity in an axisymmetric convergent-divergent nozzle with a central coaxial cylinder is considered. The problem of the nozzle starting and the initiation of detonation combustion is numerically solved with account for the interaction of the outflowing gas with the external supersonic flow. The modeling is based on the gasdynamic Euler equations for an axisymmetric flow. The calculations are carried out using the Godunov scheme on a fine fixed grid which allows one to study in detail the interaction of an oblique shock wave formed in the diffuser with the nozzle axis. It is shown that a central coaxial cylinder ensures the starting with the formation of supersonic flow throughout the entire nozzle and stable detonation combustion of a stoichiometric hydrogen-air mixture in the divergent section of the nozzle.     

煤油液滴直径对两相旋转爆轰发动机流场的影响

为探究煤油液滴不同初始直径对气液两相旋转爆轰发动机流场的影响,假设初始注入的煤油液滴具有均匀直径,考虑雾化破碎、蒸发等过程,建立了非定常两相爆轰的Eulerian-Lagrangian模型,进行了液态煤油/高温空气爆轰的非预混二维数值模拟。结果表明：在初始液滴直径为1～70μm的工况范围,燃烧室内均形成了单个稳定传播的旋转爆轰波;全局当量比为1时,爆轰波前的空气区域大于液滴煤油的蒸气区域,导致波前燃料空气混合不均匀,波前均存在富油区和贫油区,两相速度差导致分离出的空气形成低温条带;当煤油液滴的初始直径较小时,波前的反应物混合过程主要受蒸发的影响,爆轰波可稳定传播;当直径减小至1μm时,煤油液滴在入口处即蒸发,旋转爆轰波表现为气相传播的特性,爆轰波结构平整;当煤油液滴的初始直径较大时,波前的反应物混合过程主要受液滴破碎的影响;对于相同的燃料质量流量,在不同初始煤油液滴直径工况下,煤油液滴最大的停留时间均占爆轰波传播时间尺度的80%以上;爆轰波前燃料预蒸发为气相的占比越高,爆轰波的传播速度越高;初始液滴直径为10～70μm的工况范围内,爆轰波的速度随初始直径的增大先升高后降低。     

CE/SE方法在多管爆轰流场并行计算中的应用

应用改进的CE/SE方法和并行分区技术,针对二维非结构网格,发展了一套求解化学反应流场的并行程序。采用带扩张-收敛喷管的多管脉冲爆轰发动机模型,把计算域分成若干子域进行并行求解。采用H2和O2的8组分34基元化学反应模型,对恰当化学当量比混合的氢气和氧气在单爆轰管内的起爆和向多管传播的过程进行了数值模拟。计算结果表明:CE/SE方法能很好地捕捉爆轰流场的精细结构,结果与相关文献符合良好;单管产生的爆轰波对旁通爆轰管的流场结构有很大的影响,能引爆其中的可燃气体。     

调控燃烧室燃料初始分布建立稳定旋转爆轰波的方法

旋转爆轰发动机具有比传统航空航天发动机更高的燃烧效率,近年来引起人们的关注。其中,点火启动过程尤为重要。为达到一次点火就能在燃烧室内建立稳定旋转爆轰波的目的,本文提出通过控制点火前燃料初始分布来建立稳定旋转爆轰波的方法,并基于纳维-斯托克斯方程与10组分27可逆反应基元化学反应模型的数值模拟验证了该方法的可行性。对旋转爆轰波传播特性的研究表明,燃料在发动机燃烧室中的分布是影响旋转爆轰波建立的关键。在燃料喷注压力较低时此影响尤为明显,它决定了爆轰波发展第一周期内波前燃料层厚度。而波前燃料层与波的稳定传播密切相关。基于该方法,本文对燃烧室初始流速为360 m/s,喷注总压0.4 MPa的旋转爆轰发动机实现了点火至稳定爆轰,得到的爆轰波传播平均速度为1 604 m/s,频率为5 347.6 Hz。此外,燃料初始填充率作为燃料初始分布的量化指标,文中给出了它建立稳定旋转爆轰时的临界范围。