引射器位置对脉冲爆震发动机性能影响

以氢气和氧气混合物为例,通过对加装收敛扩张型引射器,采用数值计算方法对脉冲爆震发动机性能进行模拟,获得了爆震管出口相对引射器喉部处于上游、中间和下游三种引射器位置对脉冲爆震发动机性能的影响规律.计算结果表明,爆震管出口相对引射器喉部处于下游时的增推效果最好,处于中间时次之,上游时效果最差.将二次流率与增推比进行比较,发现引射器的冲量增推比随引射的二次流率增加而增大.     

增强型喷射器对爆轰波DDT过程的影响

在激波、火焰及射流同时存在的流场中，组织燃烧转爆轰过程是脉冲爆震发动机实现点火、起爆的关键问题。设计一类喷射器，采用C₂H₂/O₂/Ar反应，数值验证了该喷射器能增强爆震室燃料燃烧转爆轰的可行性，并讨论了流场中热点的点火机制。结果显示:该装置在流场中可激发不稳定性，产生漩涡，加速能量、质量的交换。流场产生热点，促进火焰速度加快，追赶前导激波。喷射器位置影响前导激波的运动速度。在一定范围内，前导激波速度越大，碰撞产生的热点越容易激发燃烧转爆轰过程。     

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.      

Experimental study of an air-breathing pulse detonation engine ejector

Experimental studies were performed in order to improve the understanding of the performance of ejector driven by an air-breathing pulse detonation engine (PDE) with a convergent nozzle. This research utilized a gasoline-air PDE at four different operating frequencies of 8 Hz, 10 Hz, 12 Hz and 15 Hz. The performance of PDE-ejector was quantified by thrust measurements. The effects of single ejector length and axial location on thrust augmentation were investigated. It was found that the single ejector with L/D of 2 showed the best performance and the maximum thrust augmentation occurred at a downstream placement of +1 tube diameter. The performances of two-stage and three-stage ejectors were also investigated. The results indicated that both the overlap ratio and the flow area between two stages should not be too large. The performance of the two-stage ejector was not as sensitive as single-stage ejector to axial position in current conditions. The three-stage ejector behaved better than the two-stage ejector but worse than the single-stage ejector in this work. A maximum thrust augmentation of 1.8 was obtained with an L/D of 2 at a downstream placement of +1 position and 15 Hz operating frequency.     

多管脉冲爆轰发动机管外复杂波系的研究

为了研究多管脉冲爆轰发动机外流场复杂波系变化特点,用CE/SE方法对7管脉冲爆 轰发动机内、外流场进行了计算. 7个爆轰管的排列方式是1个居中,另外6个绕其形成环 状排列,管内填充按化学当量比混合的氢气氧气混和物. 计算结果表明：CE/SE方法是一种 好的爆轰波模拟方法,能有效地捕捉激波等强间断;7管脉冲爆轰发动机外流场中存在着多 道相互作用相互影响的激波与膨胀波. 计算结果对多管脉冲爆轰发动机外流场复杂波系的特 性研究具有重要参考价值.     

提高高马赫数超燃冲压发动机推力的理论方法

斜爆轰发动机和激波诱导燃烧冲压发动机在高马赫数吸气式发动机中具有重要应用前景,但是斜爆轰发动机是否具有足够大的净推力,还是一个未知的问题,因此需要对高马赫数冲压发动机的推进性能以及提高推力的方法进行理论研究.本文主要分为3部分.第1部分理论研究了超燃冲压发动机中的爆燃波和爆轰波的传播特性.保证发动机稳定燃烧是提高推力的...     

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。     

Studies of DDT enhancement approaches for kerosene-fueled small-scale pulse detonation engines applications

Two-phase small-scale pulse detonation engine (SPDE) offers a competitive alternative for small-scale propulsion systems from a high cycle efficiency and structural simplicity standpoint. SPDE models are designed with the aero-valve, and three different cases of obstacle combinations are used as deflagration-to-detonation transition (DDT) devices. The inner diameters of detonation tubes are 29?mm, and the lengths of three SPDEs are 995, 1,100, and 1,175?mm. Using kerosene-air as the fuel-oxidizer, a series of high-frequency detonation tests is conducted to seek efficient DDT enhancement approaches that reduce DDT distance and time and increase the frequency of kerosene-fueled SPDE. The results show that the fully developed detonation wave can be achieved at a distance of 3.4 times the minimum characteristic distance for gaseous detonation formation from the igniter and that the SPDE can steadily operate at a maximal frequency of 62.5?Hz. By adopting these DDT enhancement approaches, the detonability of kerosene is significantly improved. In addition, experiments are performed to study the effects of firing frequencies on detonation transitions. The results clearly indicate that the values of detonation wave pressures and velocities, the degree of overdriven wave, the ignition delay times, and detonation initiation times vary with frequencies. In terms of the performance, the optimal frequencies of three SPDE models are 20, 42.5, and 50?Hz, respectively.     

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。     

单次脉冲爆轰发动机工作过程的数值模拟

通过求解14组分和19个基元反应的CH4-O2-N2详细化学反应动力学机理的二维轴对称Navier-Stokes方程,对爆轰管内半球形高温火团引发的爆轰过程和爆轰波进入外流场后的全流场分布进行数值模拟。模拟结果显示了爆轰波在管内的成长、稳定传播、进入尾喷管后衰减为激波和进入外流场的全过程,以及爆轰管出口端附近区域的复杂涡与激波的相互作用。对轴线上的压力分布和封闭端的压力等进行了讨论,为脉冲爆轰发动机的开发研制提供参考信息。     

多相燃料空气炸药爆炸压力场研究

采用高速运动分析系统对固态燃料FAE（Fuel Air Explosive）分散、爆轰过程进行光学测量,用压电传感器等组成的压力测试系统对FAE爆炸压力场进行测量,对固态燃料FAE燃料分散、爆轰波及冲击波进行了研究。分析了气-固-液多相爆轰的特征和压力波形的特点,研究了其冲击波峰值超压及比冲量随传播距离变化的规律。在云雾区内,多相爆轰波压力波形具有多峰结构,爆炸波峰值超压及冲量为一恒定值;爆轰区外,爆轰波转变成爆炸冲击波,峰值压力和比冲量迅速衰减,得到了峰值超压、比冲量随传播距离的变化规律。     

Experimental and numerical investigations on PDE performance augmentation by means of an ejector

To improve the performance of pulse detonation engines, a 48 cm long cylindrical combustion chamber of 5cm internal diameter (i.d.) is fitted with an ejector of constant section. The role of the ejector is (i) to provide partial confinement of the detonation products escaping from the chamber and (ii) to suck in fresh air and then to increase the mass ejected compared to the ejection of burned gases alone.The combustion chamber is fully filled with a stoichiometric ethylene/oxygen mixture at ambient conditions. Three parameters of the ejector are varied: the i.d. D, the length L, and the position d relative to the thrust wall of the combustion chamber. For various configurations, the specific impulse (I _sp) is determined in single shot experiments. The maximum operating frequency (f _max) and the maximum thrust are then deduced. I _sp is measured by means of the ballistic pendulum method, and f _max is derived from the pressure signal recorded on the combustion chamber thrust wall.The addition of an ejector increases the specific impulse up to 60% in the best configuration tested, from 164s without ejector to 260s with ejector. The specific impulse can be represented by a single curve using suitable dimensionless parameters. The thrust results for the main ejector studied (D = 80mm) indicate an optimal (L, d) configuration that provides a 28% thrust gain. For the same ejector, f _max remains constant and equal to the frequency obtained without ejector in a large range of (L, d) values, before decreasing.Two-dimensional unsteady numerical computations agree reasonably with the experiments, slightly overestimating the experimental values. The results indicate that 80% of the I _sp gain comes from the action of the expanding detonation products on the annular end surface of the combustion chamber, governed by the tube wall thickness.This paper was based on the work that was presented at the 19th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, Hakone, Japan, July 27–August 1, 2003 PACS 47.40.Rs     

Propulsive performance of a liquid kerosene/oxygen pulse detonation rocket engine

Thrust and specific impulse are two critical parameters to estimate the performance of rocket engine. Utilizing liquid kerosene as the fuel, oxygen as oxidizer and nitrogen as purge gas, a series of multi-cycle detonation experiments were conducted to systemically investigate the relationships among the operating frequency, fill fraction and performance parameters of the pulse detonation rocket engine (PDRE). The operating frequency of PDRE was up to 49 Hz. The mass flow of liquid kerosene was measured by orifice meter and the mass flow of oxygen was measured based on the method of gas collection. The detonation chamber pressure traces were recorded by dynamic piezoelectric pressure transducers. A dynamic piezoelectric thrust transducer was used to record the instantaneous thrust produced by PDRE. Average thrust and detonative mixture-based specific impulse of PDRE with different operation frequency were obtained by experiments. The experimental results indicate that in the practical operation, the operating frequency caused the change of fill fraction, which resulted in a thrust enhancement. Due to the effect of fill fraction, average thrust did not linearly increase as the frequency rises. Fill fraction has a significant influence on the specific impulse of PDRE. The detonative mixture-based specific impulse presented a second order exponential decay with fill fraction, and was correspondingly increased with the raise of the operating frequency. With the strategy of partial filling in detonation tube, the specific impulse can be remarkably enhanced.     

一维与二维爆轰传播的时空关联特性数值研究

一维爆轰传播的理论完备、计算准确, 二维斜爆轰传播由于壁面与黏性效应, 大尺度、高精度预测还有一定难度. 利用Euler方程和H₂-Air基元反应模型, 对二维有限长楔面诱导的斜爆轰和活塞驱动一维非定常正爆轰进行计算比较研究, 从时空两个维度方面, 分析了两者在起爆过程、稀疏波传播、爆轰波面演化中的关联特性. 研究结果表明: 在过驱动度相同的条件下, 经过时空变换的活塞驱动一维爆轰传播与二维驻定斜爆轰在起爆区波系结构、波面演化特征和主要参数分布规律方面无论定性或者定量对比均符合较好, 所以, 一维非定常爆轰和二维驻定斜爆轰具有时空相关性. 两者的差异主要体现在过驱动斜爆轰受稀疏波影响过渡到近Chapman-Jouguet (C-J)爆轰状态所需的弛豫时间不同, 原因可能是起源于活塞和壁面稀疏波强度的差异. 本文提出的一维与二维爆轰传播的时空关联方法不仅有助于认知斜爆轰起爆、过驱爆轰产生、胞格爆轰演化的三阶段规律, 还可以对比揭示壁面、边界层和黏性效应的影响, 应用在斜爆轰发动机燃烧室设计中能够有效节约计算时间和成本, 并降低复杂度.      

用于推进的三种爆轰波的结构特征

爆轰发动机研究的关键技术之一是如何将其控制在燃烧室内.根据控制手段的不同,爆轰发动机可大致分为:驻定爆轰发动机、脉冲爆轰发动机和旋转爆轰发动机.存在于燃烧室的爆轰,在宏观和精细结构以及自持机理等方面皆不同于CJ(Chapman Jouget)理论为基础的经典爆轰.本文将对此类无害爆轰的特征结构进行分析、比较与评述,这对了解爆轰理论和研制爆轰发动机是有益的.      

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。     

圆球诱发斜爆轰波的数值研究

斜爆轰发动机是飞行器在高马赫数飞行条件下的一种新型发动机,具有结构简单、成本低和比冲高等优点.但是斜爆轰发动机的来流马赫数范围广,来流条件复杂,为实现斜爆轰波的迅速、可靠引发,采用钝头体来诱发.利用Euler方程和氢氧基元反应模型,对超声速氢气/空气混合气体中圆球诱导的斜爆轰流场进行了数值研究.不同于楔面诱发的斜爆轰波,球体首先会在驻点附近诱发正激波/爆轰波,然后在稀疏波作用下发展为斜激波/爆轰波.模拟结果显示,经过钝头体压缩的预混气体达到自燃温度后,会出现两种流场:当马赫数较低时,由于稀疏波的影响,燃烧熄灭,钝头体下游不会出现燃烧情况;而当马赫数较高时,燃烧阵面能传到下游.分析表明,当钝头体的尺度较小时,驻点附近的能量不足以诱发爆轰波,只会形成明显的燃烧带与激波非耦合结构;当钝头体的尺度较大时,流场中不会出现燃烧带与激波的非耦合现象,且这一特征与马赫数无关.通过调整球体直径,获得了激波和燃烧带部分耦合的燃烧流场结构,这一流场结构在楔面诱发的斜爆轰波中并不存在,说明稀疏波与爆轰波面的相互作用是决定圆球诱发斜爆轰波的关键.     

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。     

气体-燃料液滴两相系统爆轰的数值模拟

用两相流体力学模型对气体 燃料液滴系统进行了研究。数值模拟了点火后两相系统爆轰波的发展过程，得到爆轰波的结构和参数。数值模拟结果表明气体 燃料液滴系统爆轰波有较宽的反应区，因而两相爆轰波的曲率对爆速的影响效应十分明显。进行了燃料液滴尺寸对爆轰波的结构和参数的影响的数值模拟。除了很小的液滴外，燃料液滴在爆轰波前导激波面和ＣＪ面间不能完全气化。随着液滴尺寸的增加，燃料液滴在爆轰波前导激波面和ＣＪ面间释放出的能量随之减少，爆轰参数也随之下降。     

气相爆轰波冲击气固界面的透反射特性

为了研究气相爆轰波冲击气固界面过程中透射波和反射波的相关特性,建立爆轰波冲击气固界面的一维理论模型,对不同初始压力条件下爆轰波到达气固界面后的界面两侧的压力和界面速度变化进行分析。利用时空守恒元求解元方法对气相爆轰波冲击气固界面过程进行数值模拟,分析气体部分反射波的压力分布和速度变化规律及透射入固体中应力波的波形和波速特征,并搭建气相爆轰波冲击活塞实验装置进行进一步验证。结果表明:气体爆轰波到达气固界面后,在固体中透射指数形式的弹性波,并在界面处向气体区反射一道激波。爆轰波后的稀疏波与反射激波相交,削弱反射激波,最终形成稳定激波回传。气固界面在稀疏波和反射稀疏波的作用下,压力和速度逐渐下降,最终也形成稳定状态。在不同混气初始压力情况下,爆轰波冲击过程中产生的最高压力和爆压的比值基本保持不变。理论模型对特征点相关物理量的计算值和实验数据符合的较好。