旋转爆震燃烧室与涡轮导向器组合实验研究

旋转爆震涡轮发动机正获得广泛的关注,但旋转爆震燃烧室出口存在着高频的压力波动,压力波动会降低涡轮的工作效率并减小涡轮的工作寿命.基于旋转爆震波的传播特点,开展了旋转爆震燃烧室与涡轮导向器组合结构的实验研究.燃料为H₂,由位于燃烧室前端的120个小孔喷入燃烧室;氧化剂为空气,由径向环缝喷入燃烧室.在燃烧室内起爆旋转爆震波后,爆震产物直接流入导向器内.研究结果表明,随当量比的增加,燃烧室内爆震波的传播速度呈先增大后减小的趋势.在导向器出口仍存在与燃烧室内旋转爆震波同主频的振荡压力,但相对于导向器前的振荡压力,出口压力振幅减小了约64%.旋转爆震波传播速度的相对偏差先减小后增大,并且爆震波传播越稳定,其速度损失越小.      

镁颗粒-空气混合物一维非稳态爆震波特性数值模拟研究

镁颗粒因其能量密度高、点火特性和燃烧效率好的优势,作为燃料或添加剂应用于爆震燃烧动力系统具有广阔的应用前景.本文建立了镁颗粒-空气混合物的一维非稳态爆震波模型,数值模拟爆震波传播过程及其内部流场分布.研究结果表明,爆震波传播过程中爆震波压力峰值和空间分布均存在小幅度波动.考虑燃烧产物氧化镁在颗粒表面的沉积过程,镁颗粒的反应速率和爆震波的稳定传播速度增大.在考虑爆震管壁面损失的前提下,随管径减小,爆震波稳定速度和厚度均减小,同时爆震波内未能反应的镁颗粒比例增大.考虑壁面损失条件下,爆震波稳定传播速度以及厚度均随颗粒初始粒径的增大而减小,且镁颗粒初始为双粒径分布时对应的爆震波速度和厚度明显低于镁颗粒初始为统一单粒径的工况;稳定传播速度随颗粒初始当量比的增大而先增后减,厚度随初始当量比的增加单调递减. MgO熔化发生在CJ平面附近时, MgO熔化过程对爆震波传播稳定性无明显影响,而爆震波厚度显著增大.选取适当的点火区参数,能够使爆震波达到稳定传播状态所经历的距离明显缩短.     

初始点火条件引起的三维旋转爆震波单/双波传播模式

在不同工况下,旋转爆震波能够以单波、双波、多波模式进行传播.但在同一工况下,是否存在不同模式的稳定传播爆震波还有待进一步研究.基于Euler方程,耦合氢气/空气的有限化学反应速率模型,并采用高分辨率的5阶有限差分格式WENO-PPM5离散对流项,对三维旋转爆震波进行了数值模拟.计算结果表明,在同一特定工况下,旋转爆震波能够以两种不同的传播模式稳定传播,即单波模式和双波模式.详细地对比了两种传播模式下的流场特征、爆震波传播特性、推力性能等.在同一工况下,两种传播模式的爆震波周向传播速度相差不多,但双波模式的频率约为单波模式的2倍;双波模式下质量流量、比冲、推力的平均值均略高于单波模式;且双波模式的可燃混气层高度约为单波模式的1/2,这有助于缩小旋转爆震发动机的长度,使之更加紧凑.      

H_2/Air旋转爆震发动机起爆实验研究

为揭示旋转爆震发动机的点火特性,采用普通火花塞和高能火花塞作为发动机点火装置,对以氢气/空气为反应物的旋转爆震发动机进行了实验研究,结合高频压力测量与高速摄影结果分析了旋转爆震波的建立过程,并通过一系列点火实验得到了发动机的稳定工作范围。研究结果表明,两种点火方式均能成功起爆发动机,点火产生的燃烧波通过火焰加速与DDT过程形成旋转爆震波,增大点火能量能够大幅缩短旋转爆震波建立时间。发动机共有三种工作模式,稳定工作范围随燃料质量流量的增加而扩大,且不同工作模式会随反应物当量比的变化而相互转换。     

质量流率对旋转爆震波传播速度影响实验研究

实验研究了质量流率对旋转爆震波传播速度的影响,结果表明:对于给定几何结构的发动机,存在一个临界质量流率,当质量流率小于该值时,旋转爆震波的速度较低且存在较大随机性;当质量流率大于临界值时,旋转爆震波的速度变化趋势与CJ爆震理论一致。针对低质量流率工况下出现的较大速度亏损现象,提出了两种导致该现象的可能机制,即燃烧室发生声学耦合燃烧和燃烧产物在爆震波到达之前与反应物充分混合,进一步分析对比了这两种机制,分析结果表明,两种假设都能够较好解释低质量流率下爆震波的较大速度亏损现象,但燃烧室发生声学耦合燃烧的假设更符合实验结果。     

燃烧过程测量、模拟及爆震燃烧技术应用专题序言

爆震燃烧是基本的燃烧模态之一具有极高的强度和极快的燃烧速率以其构建热力循环并将其应用于先进动力装置具有区别于爆燃燃烧过程的显著优势是人们始终追求的梦幻动力.然而也恰恰由于爆震燃烧过程剧烈因此在受限空间内形成稳定、可控、高频率的爆震波成为挑战.在工程上发展稳定的爆震燃烧动力装置需要解决可靠点火起爆、燃料/氧化剂快速掺混、爆震波稳定传播等关键技术难题.近些年连续旋转爆震取得了长足的进展.连续旋转爆震仅需单次成功点火在环形或者圆柱形燃烧室内形成周向传播的爆震波从而使得不断充入燃烧室的未燃混合气快速起爆.基于连续旋转爆震的火箭发动机、冲压发动机甚至连续旋转爆震涡轮发动机都取得了创造性的成绩.尽管在工程化应用的征途上仍然需要解决诸多爆震物理基础问题和关键技术但人们孜孜以求的决心和动力从未泯灭也必将带来颠覆性技术的诞生.     

涡轮导向器对旋转爆轰波传播特性影响的实验研究

为了研究涡轮导向器对旋转爆轰波传播特性的影响,以氢气为燃料,空气为氧化剂,在不同当量比下开展了实验研究.基于高频压力传感器及静态压力传感器的信号,详细分析了带涡轮导向器的旋转爆轰燃烧室的工作模式以及涡轮导向器对非均匀不稳定爆轰产物的影响.实验结果表明:在当量比较低时,爆轰燃烧室以快速爆燃模式工作;逐渐增大当量比,爆轰燃烧室开始以不稳定旋转爆轰模式工作;继续增大当量比,爆轰燃烧室以稳定旋转爆轰模式工作,且旋转爆轰波的传播速度和稳定性均随当量比的增大逐渐提高.爆轰波下游的斜激波与涡轮导向器相互作用,涡轮导向器对压力振荡的幅值具有明显的抑制作用,但对压力振荡频率的影响较小.随着当量比的增大,涡轮导向器上下游的静压均同时增大,经过涡轮导向器的作用,涡轮下游静压明显降低.     

镁颗粒-空气混合物一维稳态爆震波特性数值模拟

镁颗粒因其能量密度高、点火特性和燃烧效率好的优势,作为燃料或添加剂应用于爆震燃烧动力系统具有广阔的应用前景.本文建立了镁颗粒-空气混合物的一维稳态爆震波模型,数值模拟爆震波稳态传播过程及其内部流场分布.结果表明,镁颗粒-空气混合物爆震波仅能以特征值速度稳定自维持传播,特征值爆震速度的高低并不仅仅取决于反应放热多少,两相间的相互作用也会影响热能向气相动能的转化效率.当爆震波末端氧化镁处于熔化过程时,满足一定的来流速度和镁颗粒密度条件,爆震波仍能够稳定自维持传播.气相吸收反应放热膨胀加速至声速的过程主要发生在镁颗粒纯蒸发反应阶段,但在氧化镁熔化阶段由于熔化过程吸热量大,使气相吸热膨胀过程近乎停止.颗粒粒径变化主要影响爆震波尺寸,而对特征值爆震速度以及波后声速面参数影响甚微.在常温常压的初始条件下,爆震波稳定自维持传播过程中波内不涉及氧化镁的汽化离解过程.     

煤油／空气脉冲爆震发动机激波反射起爆研究

为了研究煤油/空气脉冲爆震发动机爆震室内激波遇到障碍物发生反射促使PDE通常完成爆燃向爆震转变的起爆技术,设计加工了环型孔板和双半V型楔面体,并安装在内径100 mm的爆震管内,进行了多循环爆震试验,成功实现了煤油/空气脉冲爆震发动机工作频率30 Hz稳定工作,获得稳定传播的爆震波.研究结果表明:在爆震室内安装合理结构的障碍物能够有效提高激波反射,缩短爆燃向爆震转变的距离(时间),成功获得稳定传播的爆震波.研究结果为优化设计煤油/空气脉冲爆震发动机原理样机提供了初步理论基础.     

氢-空气斜爆震波的极曲线分析

本文建立了一种以温度为单变量进行迭代,求解真实气体模型下的斜爆震波波后参数非线性方程组的方法。并通过以加热量和气流偏转角为变量,计算出对应斜爆震波角度和斜爆震波的驻定范围。对于给定的来流条件,基于真实气体模型的斜爆震波的驻定范围比量热完全气体的宽,所以在斜爆震波的计算中必须考虑热物性的影响。随着氢气和空气化学当量比的增加,斜爆震波驻定范围逐步变小。而来流马赫数越大,斜爆震波的驻定范围越大,其CJ爆震波对应的平面偏转角越小。来流初温的升高则使斜爆震波的驻定范围变宽。斜爆震波的驻定需要来流条件与斜面角度等因素的相互匹配。     

Enhancement of continuously rotating detonation in hydrogen and oxygen-enriched air

The enhancement of continuously rotating detonation in oxygen-enriched air was demonstrated in an annular rotating detonation combustor (RDC) under a diffusive supply of hydrogen and an oxidizer. Experimental tests were performed to reveal the effects of oxygen volume fraction, mass flow rate, and equivalent ratio on the propagation of continuously rotating detonation wave (CRDW). It is observed that an increase in the air mass flow rate from 25 g/s to 225 g/s causes an increase in the propagation velocity of the stable CRDW in the RDC. For an oxygen volume fraction up to 35%, the difference between the propagation velocity of detonation and the theoretical Chapman–Jouguet value is less than 5%. Under the chemical stoichiometric ratio condition for air, the CRDW is stabilized when the air mass flow rate reaches 185 g/s. However, stabilized CRDW is observed even when the air flow rate is only 45 g/s under the presence of 30% or 35% oxygen. Increase in the oxygen volume fraction leads to an extension of the rich/lean limit for generating a stable CRDW. This study aims to provide guidance for the modulation of continuously rotating detonation.     

基于连续旋转爆震的推进技术研究进展

基于爆震燃烧的推进技术是未来空间技术的重要发展趋势，特别是可实现结构简单化设计和高热力学效率.针对火箭式连续旋转爆震发动机、吸气式爆震发动机的实验测试和数值仿真，文章综述了其国内外研究进展，分别总结了不同燃料、燃烧室结构、喷注方式以及工作方式等对连续旋转爆震波的传播规律和发动机的特性影响规律.虽然上述探索性研究得到了诸多有益的结论，但是由于连续旋转爆震燃烧技术涉及的流动、物理化学过程十分复杂，对旋转爆震燃烧的机理研究仍然有待进一步深入开展.      

Investigation of the structure of detonation waves in a non-premixed hydrogen–air rotating detonation engine using mid-infrared imaging

The structure of detonation waves propagating through the annular channel of an optically accessible non-premixed rotating detonation engine (RDE) are investigated using mid-infrared imaging. The RDE is operated on hydrogen–air mixtures for a range of air mass flow rates and equivalence ratios. Instantaneous images of the radiation intensity from water vapor are acquired using a mid-infrared camera and a band-pass filter (2.890?±?0.033?µm). The instantaneous mid-infrared images reveal the stochastic nature of the detonation wave structure, position and angle of oblique and reflected shock waves, presence of shear layer separating products from the previous and current cycles, and extent of mixing between the reactants and products in the reactant fill zone in front of the detonation wave. The images show negligible signal directly in front of the detonation waves suggesting that there is minimal mixing between the reactants and products from the previous cycle ahead of the detonation wave for most operating conditions. The mid-infrared images provide insights useful for improving fundamental understanding of the detonation structure in RDEs and benchmark data for evaluating modeling and simulation results of RDEs.     

碳氢混合燃料（C5~C6）气云爆轰胞格结构实验研究

 改进烟迹技术之后，在初始为常温常压的条件下，进行了碳氢混合燃料（C₅~C₆）的气云爆轰胞格结构实验研究，得到了清晰的胞格烟迹记录，同时讨论了燃料气云的当量比和起爆能对胞格结构的影响。实验表明：C₅~C₆混合燃料的爆轰波胞格宽度和胞格长度均随当量比的增加而线性增大；随着起爆能的不断增大，混合燃料的胞格宽度和胞格长度均是先增大后减小，且当起爆能足够高时，在胞格结构内可观察到精细结构的存在。     

悬浮RDX炸药粉尘爆轰的数值模拟

用两相流模型对悬浮RDX炸药粉尘爆轰波进行了数值模拟。RDX炸药颗粒在爆轰波阵面后的高温高速气流中加速并升温,颗粒表面发生熔化。参考液滴在高速气流作用下剥离的效应,假设炸药熔化部分在高速气流的作用下发生剥离,破碎成极小的颗粒,瞬时发生分解反应,释放出能量支持爆轰波传播。数值模拟了在不同粒径和浓度的悬浮RDX炸药粉尘中爆轰波的发展与传播过程,得到了爆轰波流场中气-固两相的物理量分布,并确定了爆轰波参数。在较低的RDX粉尘浓度条件下,爆轰波阵面压力的峰值曲线出现振荡。当RDX粉尘浓度在80~150 g/m3时,数值模拟得到的爆轰波阵面压力峰值曲线的振荡是规则的;当RDX粉尘浓度为70 g/m3时,爆轰波阵面压力峰值曲线出现不规则振荡。     

Numerical studies on autoignition and detonation development from a hot spot in hydrogen/air mixtures

Detonation development inside spark ignition engines can result in the so called super-knock with extremely high pressure oscillation above 200?atm. In this study, numerical simulations of autoignitive reaction front propagation in hydrogen/air mixtures are conducted and the detonation development regime is investigated. A hot spot with linear temperature distribution is used to induce autoignitive reaction front propagation. With the change of temperature gradient or hot spot size, three typical autoignition reaction front modes are identified: supersonic reaction front; detonation development and subsonic reaction front. The effects of initial pressure, initial temperature, fuel type and equivalence ratio on detonation development regime are examined. It is found that the detonation development regime strongly depends on mixture composition (fuel and equivalence ratio) and thermal conditions (initial pressure and temperature). Therefore, to achieve the quantitative prediction of super-knock in engines, we need use the detonation development regime for specific fuel at specific initial temperature, initial pressure, and equivalence ratio.     

爆震波传播速度同阻力和热损失的一般关系

本文采用－维稳态ＺＮＤ模型，从理论分析和数值计算上详细研究了爆震波的结构和非绝热粗糙管中摩擦阻力和热损失对爆震波传播的影响．推导了爆震波的传播方程，揭示了多种爆震机制和爆震极限的存在及其机理。对低速爆震的发生给出了理论解释．