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.      

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.     

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.     

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.      

多循环PDE利用壁温蒸发煤油的试验研究

燃用煤油是脉冲爆震发动机工程化应用研究中亟待解决的一项关键技术.由于煤油的蒸发性差,常温下在空气中很难起爆,为了突破煤油在脉冲爆震发动机中的应用限制,利用爆震室壁面高温蒸发煤油,提高煤油在PDE中的起爆性能.本文利用PDE工作时的壁温和少量来流空气,在PDE管外设计了蒸发器,对供入PDE的煤油实行预蒸发,以提高燃用煤油...     

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.      

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.      

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。     

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。     

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.     

Performance enhancement of a pulse detonation rocket engine

Utilizing liquid kerosene as the fuel, oxygen as oxidizer and nitrogen as purge gas, a series of multi-cycle detonation experiments was conducted to improve the performance of pulse detonation rocket engine (PDRE). In order to improve the performance of the engine, it is crucial to develop an effective DDT enhancement device with less flow loss and higher survival in hostile detonation tube; therefore, three spiraling internal grooves were tested. The three spiraling internal grooves were semicircle, square and inversed-triangle grooves, respectively. The results showed that the spiraling internal groove can effectively enhance DDT and prolong the operation time of PDRE. The effect of groove shape on thrust enhancement of PDRE and the optimum length of spiraling groove were then investigated. To improve the detonability of liquid kerosene and prolong the durability of PDRE, experiments on the kerosene preheating based on active cooling were conducted. The results demonstrated that with the aid of fuel preheating, the detonation initiation time for liquid kerosene was noticeably reduced and a fully-developed detonation wave was achieved in the position away from igniter 4.67 times the diameter of the detonation tube. By adding the additive to liquid kerosene, the detonation initiation time from 0.75 ms decreased to 0.34 ms and the detonability of fuel was dramatically improved. Finally, experiments were conducted to investigate the effects of the operating frequency on the detonation parameters, the fill fraction and PDRE performance. The results indicated that detonation pressure and temperature vary with the operating frequency of PDRE, and the fill fraction has a significant influence on the specific impulse of PDRE. With the strategy of partial filling in detonation tube, the specific impulse can be remarkably enhanced.     

一维非定常炸轰的特征线方法数值模拟

本文用特征线方法计算了一维非定常炸轰的发展和传播问题。为模拟炸药的化学反应,采用了一种冲击波引爆的唯象模型。以PBX-9404高级炸药为例给出了计算的POP图与实验结果的比较以及不同时刻波后流场的分布。     

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．     

直径对脉冲爆震发动机性能的影响

本文通过实验研究了脉冲爆震发动机的直径对其性能的影响．实验结果表明；当爆震室的直径增大时，爆震波压力波形相似，平均峰值压力比较接近，且比冲基本保持不变，而推力则随爆震室直径的增大而增大。实验曲线表明爆震室内的流动具有自相似性，从而为建立尺寸律提供了实验依据．本文中比冲和平均推力是利用摆动原理测量的，并与由作用在推力壁上的压力计算得出的比冲和平均推力的理论值和实验值进行了比较，结果基本吻合，说明该测量方法可行．     

拐角空间中悬浮铝粉尘爆轰后效的三维数值模拟

建立三维的铝粉-空气两相爆轰计算模型,采用时-空守恒元解元（CE/SE）方法求解,并开发了悬浮铝粉尘爆轰的三维数值模拟程序.基于消息传递接口（MPI）技术实现了程序的并行化设计.通过对激波管问题以及爆轰管中铝粉-空气两相爆轰实验的模拟验证程序的可靠性.对拐角空间中左侧浓度为368 g·m^-3的铝粉-空气混合物两相爆轰及其在拐角空间右侧和下方空气域内形成的冲击波和温压效应开展数值模拟,获得复杂空间内爆轰波或冲击波的传播、反射以及绕射过程.结果表明：两相爆轰在离铝粉尘区域2 m远的空气域内产生的后效冲击波能达到2.66 MPa的固壁反射压力,火球燃烧范围会超出初始铝粉尘区域约0.8 m,并且造成初始铝粉尘区域附近1.5 m范围内空气的温度高达1 600 K.模拟程序可用于铝粉尘爆轰的后效研究,对工业安全及其防护具有指导意义.     

吸气式脉冲爆震发动机喷管试验研究

分别对采用不同面积比、不同长径比的收敛喷管、扩张喷管和收扩喷管的吸气式脉冲爆震发动机(PDE)进行了多循环爆震试验研究,着重研究了不同工作频率下喷管面积比和长径比对吸气式PDE性能的影响.研究发现,各个工作频率下,收敛喷管均能显著提高发动机性能,面积比越小,增推效果越好,最大能够达到32%;扩张喷管则降低发动机性能或者增推效果有限;收敛扩张喷管增推效果略低于对应面积比的收敛喷管.喷管长径比对吸气式PDE性能影响不大,随着长径比增加,PDE推力略有降低.     

钝感炸药爆轰驱动研究

 对两种典型的钝感炸药（IHE）的爆轰驱动模型进行了实验研究。一种是点爆散心波驱动，另一种是滑移爆轰驱动。并在同一条件下做了非钝感炸药（HE）的爆轰驱动实验，以比较IHE和HE驱动规律的异同。对实验模型用二维数值模拟及拟合公式进行了计算，最后给出了在本实验条件下两种炸药驱动规律差异，也对计算偏差范围作了估计。