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.     

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。     

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.      

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.     

镁颗粒群着火和燃烧过程数值模拟

建立了一维非稳态球形镁颗粒群的着火燃烧模型, 数值模拟镁颗粒群的着火和燃烧过程, 研究表明, 颗粒群着火首先发生在颗粒群边界, 随后初始的燃烧火焰会分离为两个, 一个向颗粒群内部传播, 一个向外部传播, 最终内部火焰消失, 外部火焰维持并控制着整个颗粒群的燃烧; 内火焰向颗粒群内部传播过程中, 传播速度会逐渐加快, 且火焰温度值呈逐渐降低趋势. 分析了颗粒群内部参数和环境参数对镁颗粒群着火燃烧的影响. 随颗粒浓度的增大, 颗粒群着火时间略有增长, 但火焰传播速度更快, 燃烧稳定时火焰球尺寸也更大. 颗粒群初温越高, 则颗粒群着火时间越短, 火焰传播速度也会加快, 但燃烧稳定时火焰球尺寸基本不变. 环境温度对颗粒群着火燃烧的影响较复杂, 环境温度越高, 颗粒群着火时间越短, 但火焰传播速度却越慢, 燃烧稳定时火焰球尺寸变化很小. 颗粒粒径和辐射源温度对颗粒群着火燃烧的影响较显著, 颗粒粒径越小或辐射源温度越高, 则颗粒群着火时间越短, 火焰传播速度越快, 燃烧稳定时火焰球尺寸也越大. 数值模拟结果与文献中试验结果相一致. 关键词： 粉末燃料冲压发动机 镁着火燃烧 颗粒群     

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.      

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。     

氢-空气绕流无限长斜劈斜爆震波数值模拟

采用二维多组分有化学反应的Euler方程,考虑单步化学反应,采用有限反应速率模型,对斜爆震波进行计算,通过将数值模拟结果与实验结果对比,验证了数值模拟方法的有效性。在此基础上,对氢空气绕流无限长斜劈的斜爆震过程进行了数值模拟,分析了斜劈角度对斜爆震波特性的影响。结果表明:当斜劈角度增大时,爆震波中的化学反应速率随之增大,相应的斜爆震波的角度也增加,波后的温度更高,同时波后法向马赫数减小。     

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.     

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.     

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.      

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。     

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.     

非平衡等离子体助燃低热值气体燃料

本文用介质阻挡放电(DBD)产生的非平衡等离子体助燃低热值气体燃料的燃烧,达到保证燃烧室可靠点火和稳定燃烧的目的。研究表明:等离子体点火的性能比传统的电火花点火的性能显著增强,能够在极低的氢含量和当量比下可靠地点燃火焰。同时,在等离子体助燃的情况下,火焰传播速度增大,稀态熄火极限有所拓宽,在低当量比下的燃烧效率也有较大提升,燃烧室的燃烧稳定性更好。     

扇环形截面管内爆震波特性研究

以实验手段,分别使用乙炔、氢气为燃料、空气为氧化剂研究了扇环形爆震管内爆震波特性,包括沿管长的压力波速度和火焰波速度特性、沿管长的压力波峰值特性,得到了在外径176 mm、内径53 mm、60°扇形角的扇环形管道内稳定发展波震波的余气系数范围:0.4α1.4、爆震管横截面不同壁面的压力波和火焰波特性;本文还采用烟膜法研究了上壁面和侧壁面的爆震波胞格结构。     

铝颗粒粉尘对冲火焰数值模拟研究

铝颗粒由于具有能量密度高、易储存、燃烧过程不产生温室气体等优势,有望成为未来化石燃料替代的解决方案.本文建立了铝颗粒粉尘火焰的燃烧模型,其中考虑了相间传热、相变、表面化学反应、气相详细化学反应及辐射传热等过程,并针对铝颗粒粉尘对冲火焰开展了数值模拟研究.首先,通过仿真McGill大学的铝颗粒粉尘对冲火焰实验进行模型验证,并分析了实验中使用铝颗粒本身作为示踪粒子引起的气相速度测量误差,结果表明,数值模拟得到的离散相速度分布与实验结果基本一致,火焰传播速度的预测值也同实验数据吻合较好.当颗粒粒径小于10μm时,连续介质假设不再成立,相间传热模型必须考虑过度区机制,随着颗粒粒径的增加,火焰传播速度不断降低.随着对冲火焰拉伸率的增加,颗粒在火焰区的停留时间减少,并出现燃烧不完全的现象,粉尘火焰由双峰变为单峰结构.火焰传播速度随着拉伸率的增加而增大,通过线性外推可得到未拉伸的火焰传播速率约为29 cm/s.辐射引起的热损失会导致气相温度大幅降低,但辐射传热对颗粒的加热作用相对较小.     

冲击引发Ti-Si活性粉体反应过程研究

采用二级轻气炮驱动飞片高速冲击样品管引发管中Ti-Si活性粉体的自蔓延反应,研究在冲击加载条件下,Ti-Si活性粉体中冲击波速度与燃烧反应速度的关系。在实验过程中,采用高速相机对自蔓延反应过程中燃烧波和冲击波的传播速度进行测量。实验结果表明:冲击波在活性粉体中的传播速度接近飞片运动的初始速度,并且随着传播距离的增加,冲击波速度明显减小,这一现象在冲击加载纯Si粉的过程中也得到验证;在冲击加载条件下,活性粉体中燃烧反应的燃烧波以每秒几厘米的速度传播,与冲击波在活性粉体中的传播速度相差巨大,未发现两者相互作用的过程,即未出现冲击波传播速度增加的现象。     

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．     

辛烷-空气混合物爆燃爆震转捩的数值模拟

爆燃向爆震转捩（简称DDT）的问题对爆震波的产生至关重要,是爆震波发动机研究中的核心问题之一。木文针对气态辛烷和空气混合物中产生的燃烧波在一维封闭空间传播的DDT问题,运用化学反应流动基本理论和两步反应模型,在拉格朗日质量坐标系中建立该现象的数学表达,气体动力学方程采用显式（S?）差分格式,化学反应项使用二级精度的Adams方法,开发了程序CULDDT,完成了过程的数值模拟,并与实验数据进行了对比,两者符合较好,为研究辛烷和空气混合物中产生爆震波的过程提供了一种可靠的数值方法。