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.      

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。     

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.     

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.     

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.      

冷等离子体放电区长度对爆震特性影响的实验研究

快速高效的起爆对脉冲爆震发动机工作特性的作用十分关键.文章以乙炔为燃料、空气为氧化剂,使用双爆震管研究冷等离子体和火花塞两种点火方式对起爆特性的影响规律.冷等离子体发生器采用自主设计产品,研究中通过改变冷等离子体放电区长度,测试爆震波的传播过程,给出了放电区体积大小对爆震特性的影响.实验结果表明:冷等离子体点火起爆特性明显优于火花塞;在基本保证放电功率不变时,放电区长度的变化对火焰传播时间、火焰传播速度、爆震波峰值压力影响不大.因此,在工程实践中,采用小区域放电能够减少冷等离子的体积且不影响起爆性能.      

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.     

当量比对圆盘结构下旋转爆震波传播的影响

为研究反应物当量比对旋转爆震波传播过程的影响,在圆盘形旋转爆震发动机上进行H₂/air的旋转爆震实验研究,并统计分析了当量比对爆震波传播模态及参数的影响规律.实验结果表明,固定质量流率,同一种传播模态下,随着当量比的增大,爆震波的压力峰值及传播速度增大,且旋转爆震波的传播过程更加稳定.不同质量流率条件下,当量比对传播模态的影响规律不同.空气质量流率小于100 g/s时,旋转爆震波皆以单波模态传播.空气质量流率大于150 g/s时,随着当量比的增大,旋转爆震波的传播模态由单波模态向双波模态转变,再转变为不对称双波模态,最后又回到单波模态.并且在不对称双波模态中发现了低频振荡现象,振荡频率约为300 Hz.质量流率继续增大,燃烧室中发现了同向三波传播模态.随着质量流率的增加,双波模态的当量比下限降低,不对称双波模态的当量比上限增大,而双波与不对称双波模态的分界线受质量流率的影响较小.      

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.      

煤油氧气脉冲爆震火箭发动机爆震特性

脉冲爆震火箭发动机(PDRE)是一种利用脉冲式爆震波产生高温、高压燃气发出的冲量来产生推力的推进系统.与常规液体火箭发动机相比,脉冲爆震火箭发动机具有更高的性能,并且结构更简单.本文以航空煤油为燃料、氧气为氧化剂、压缩氮气为隔离气体,并利用电磁阀控制燃料、氧化剂和隔离气体的间歇式供给.利用低的点火能量(50mJ),在内径50mm,长度1.1m的爆震管内进行了大量的多循环爆震试验,研究煤油氧气电磁阀脉冲爆震火箭发动机的爆震波特性.研究结果为进一步研究气液两相多次爆震燃烧机理提供了依据,为研制工程应用的PDRE提供理论和实践基础.     

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。     

环形通道内爆轰波的起爆机制

旋转爆轰发动机环形燃烧室和预爆轰管的设计是影响发动机点火性能的关键因素。为了获得环形燃烧室中的起爆机制，使用多帧短时开快门摄像法，研究了不同含量氩气稀释的乙炔-氧气爆轰波经直管道沿切向进入环形通道中的传播过程和模式，重点关注爆轰波的失效和重新起爆机制。通过分析胞格模式发现环形通道内爆轰波的传播模式可以分为亚临界、临界和超临界3种状态。环形通道内爆轰波在顺时针和逆时针方向同时传播，根据初始压力和环形管道宽度的不同，会出现完全熄爆模式、熄爆-重新起爆模式和完全不熄爆模式，对应亚临界、临界和超临界3种状态。3种状态在顺时针和逆时针方向出现的顺序并不一致，相比较而言逆时针方向更易熄爆。研究同时也发现重新起爆通过两种方式实现：一种是通过解耦爆轰波与内壁面的反射以及其后的横向爆轰波，另外一种是通过燃烧转爆轰。通过分析直管的临界管径发现，随着环形通道宽度的增大，对于高浓度或低浓度氩气稀释的乙炔-氧气爆轰波，其临界管径均趋近于经典衍射问题中不稳定爆轰波的临界管径。实验研究结论将为旋转爆轰发动机燃烧室和预爆轰管的结构设计提供技术支持。     

火花点火发动机的末端气体自燃及爆震的研究

本文介绍了火花点火发动机的末端气体自燃和爆震研究的结果。作者采用高速摄影方法，通过经改装的二冲程发动机气缸盖上的观察窗，拍摄了燃烧室内末端气体自燃和火焰传播，同时测取了气缸内三个不同位置处的压力曲线。实验结果表明，火花点火发动机的爆震是由末端气体自燃引起的。自燃一般是多点同时发生的，并在极短时间内使末燃混合气体全部燃烧。自燃通常会，但并不总是引起爆震。爆震是以缸内压力振荡的出现、碳烟的形成和爆震发生后产生气体的高速运动为特征的。     

脉冲爆震发动机尾焰温度测量与数值模拟

本文采用新型研制的脉冲温度和水蒸气浓度测量仪测量了吸气式脉冲爆震发动机多循环工作过程中的尾焰温度,结果表明该测量仪不仅能够很好地捕捉每一个脉冲温度,与热成像仪测量的结果比较证明其测量温度在误差范围内.并采用了三阶TVD迎风格式和 Strang-splitting 算子分裂法,C3H8/air单步反应机理对混合物爆震燃烧进行了二维数值计算.与测量结果对比,说明采用本文的计算方法能够很好地捕捉到爆震波的点火和传播过程.     

超声速气流中的爆震推进理论与研究进展

爆震燃烧近似为等容燃烧,理论上其热循环效率高于基于等压燃烧的爆燃燃烧,在超声速推进系统中具有潜在的应用价值.通过总结超声速气流中的爆震推进理论与研究进展,分析其需要解决的关键科学与技术问题,指导未来高超声速发动机的基础研究.文章重点总结了适用于高超声速飞行的斜爆震发动机、超声速脉冲爆震冲压发动机的基础研究进展.其中对斜爆震发动机的应用模式、相关实验研究思路及方法、数值仿真现状进行了总结分析.对超声速脉冲爆震冲压发动机的基础理论研究现状和目前研究的难点进行了梳理.基于爆震燃烧的超燃冲压发动机具有推进系统自增压、燃烧效率高、推力性能好、推进效率高、燃烧室长度短、结构重量轻等优势,文章总结了该发动机当前的发展进程和最新的研究进展,并对其未来的发展方向以及存在的技术问题进行了分析.      

燃油粒度对两相PDE爆震波速的影响

两相爆震燃烧的研究近来取得了较大的进步,但是仍有很多问题需要解决,诸如燃油的喷射、雾化和蒸发,燃油和氧化剂的混合,两相可爆混合物的短距离起爆等等．本文利用激光喷雾粒度分析仪分别就直射喷嘴与气动喷嘴研究了汽油的雾化情况,随着汽油流量的增加,两种喷嘴的雾化变化趋势相反．结合汽油、空气PDE模型机多循环爆震试验,发现汽油的粒度对模型机的爆震波速有较大的影响,粒度减小,波速增大,同时波速具有循环效应．     

弱点火条件下炸药燃烧转爆轰的数值模拟

考察颗粒炸药从传导燃烧到对流燃烧再到爆轰的过程.对装填密度为85%的HMX颗粒炸药的燃烧转爆轰过程进行数值模拟,分析传导燃烧、对流燃烧和爆轰的发展过程.点火早期燃烧速度很低,火焰面在8.16 ms之内只前进了不到0.2 mm;形成对流燃烧之后燃烧速度快速增加,只用了0.1 ms就形成了速度为8 165 m·s^-1的稳定爆轰.当炸药颗粒直径或点火压力减小时,形成稳定爆轰所需的时间增加.     

基于多孔介质燃烧的小型推进器实验研究

多孔介质具有良好的蓄热、传热性能,多孔介质燃烧可以有效地降低系统的热损失,提高尺度燃烧的稳定性.本文在一个内径2 am、长2 cm的圆柱形腔体里组织多孔介质燃烧,测量了点火和稳定燃烧的当量比范围,腔体和出口温度等参数;将燃烧室与小喷管结构相结合,获得了稳定的微推力.     

脉冲爆震发动机性能分析

本文发展了一种新的脉冲爆震发动机性能分析模型,考虑了流体阻力和油珠直径对爆震波速度、压力及脉冲爆震发动机比冲的影响。性能分析模型计算结果与试验结果比较表明,当进行了两相流和流体阻力影响修正后,两者较好。     

机油液滴诱发早燃的快速压缩机试验研究

早燃是在火花点火内燃机中的一种非正常燃烧现象,容易诱发超级爆震并破坏发动机。本文在快速压缩机中引入机油液滴,研究了机油液滴对异辛烷可燃混合气着火特性的影响,同步采集了压力数据和燃烧图像。试验结果表明,高温高压异辛烷可燃混合气中的机油液滴能够自燃并点燃周围混合气,其火焰传播特征与火花点火接近。采用3种市场常用发动机机油引入燃烧室均出现了自燃现象,提高压缩终点压力会使机油液滴的着火延迟时间缩短。