斜爆震波起爆特性及其波系结构研究

本文通过对斜爆震波起爆特性及其波系结构的研究进展进行综合评述,分析其研究现状与存在的不足,指导未来斜爆震波的基础研究。首先总结了斜爆震波起爆和驻定特性研究进展,重点回顾了斜爆震波起爆准则和驻定条件,接着对斜爆震波的诱导区结构和波面胞格结构研究进行了总结,随后对斜劈构型对斜爆震波的影响研究现状进行了概述。综述表明,斜爆震波的起爆、驻定和波系结构还需持续开展研究,特别需要关注的是平面斜爆震波的起爆准则和驻定条件,在真实流动条件下更深入研究斜爆震波宏观结构和波面结构的形成机理,探索受限空间内斜爆震波起爆、反射和驻定特性。     

斜爆轰波的波角和法向速度-曲率关系初探

为研究斜劈诱导斜爆轰波的波阵面弯曲效应，以期为斜爆轰的不稳定性及其演化规律提供新的见解，基于加权本质无振荡（WENO）格式空间离散和附加Runge-Kutta方法时间离散的求解器，针对不同的化学反应参数（释热量、放热速率和化学反应区参考长度）条件，开展斜爆轰波的数值计算研究。结果表明斜爆轰波沿波阵面的波角变化可分为3个区域：区域I，波角平滑减小；区域II，波角跃升后衰减；区域III，波角有规律振荡。波阵面法向速度-曲率关系在区域I呈现准垂直直线变化趋势，并伴随着爆轰波强度的不断衰减；在区域III则呈现出"D"形曲线，即由极曲线段、光滑水平变化段和拟线性变化段组成，为类胞格结构的周期性演变；区域II可认为是以上两个区域特征的耦合。不同的化学反应参数对斜爆轰波波阵面的弯曲效应影响存在较大差别。     

斜爆轰波系在受限空间内的演变及其临界条件的数值研究

作为一种面向未来高马赫数吸气推进技术的新概念发动机,斜爆轰发动机的运行依赖其稳定的宏观波系结构。本文针对斜爆轰发动机简化模型,采用多组分基元化学反应流动数值模拟技术,数值分析斜爆轰波系在受限空间内的宏观结构特征及其演变,并进一步分析爆轰波系结构转变的临界条件。研究结果发现,随着楔面角度的增加,依次出现四种结构：激波诱导燃烧,斜爆轰波双规则反射,回流区马赫反射,楔面燃烧。对于稳定的波系结构,楔面压缩角同时存在下临界、亚临界以及超临界三种极限条件,在波系演变过程还伴随激波规则反射和马赫反射的转变。     

Experimental research on rotating detonation with liquid hypergolic propellants

This paper describes experimental research into the initiation and propagation of rotating detonation for liquid Nitrogen TetrOxide (NTO) and liquid MonoMethylHydrazine (MMH). An annular rocket-type combustor without nozzle was designed to investigate detonation combustion. The propellants were injected through unlike impingement injectors. The combustion flame fronts and pressure waves were detected using optical diagnostics and dynamic pressure sensors, respectively. The propagation of rotating detonation was established spontaneously by increasing the mass flow rate of propellants. The velocity of propagation of the flame fronts and pressure waves was nearly equal and reaches supersonic speed. Two different detonation combustion patterns are present, single wave mode and double waves mode. And in double waves mode, the two detonation waves are always counter-rotating. The possibility of rotating detonation initiation in a combustor with nozzle was also checked. Stable rotating detonation can be initialized and sustained at similar operating conditions.     

气相爆轰波马赫反射非自相似性特征的实验

为了研究在CJ(Chapman-Jouguet)状态下气相爆轰波马赫反射的非自相似性特征,搭建了由驱动段、传播段以及观测段组成的矩形管道;利用纹影和烟膜实验方法分别对3种预混气发生马赫反射现象进行了实验研究.实验结果表明:对稳态或非稳态气体,测量了马赫反射三波点位置高度,验证了马赫反射三波点轨迹线为波动的曲线,即自相似性对爆轰波马赫反射失效;非自相似性的重要特征是三波点轨迹线在楔角初始位置时基本遵循无反应冲击波理论计算结果,随后逐渐偏离并向有反应冲击波转变,之后接近平行于反应冲击波理论计算并稳定地处于两个理论值之间.最后给出在初始压力为10kPa和楔角为30°的条件下,对于所研究的3种气体,其马赫反射三波点发生转变的位置高度分别约为0.8,1.05cm以及0.5cm,可见相同初始条件下非稳态气体的马赫反射发生转变比稳态气体提前.      

连续旋转爆震波细致结构及自持机理

基于化学非平衡流解耦方法和详细化学反应机理,在0.1mm的网格尺度下对连续旋转爆震波内流场和爆震波平掠惰性气体界面的传播过程进行了数值模拟。详细分析了连续旋转爆震波的空间结构,由于在出口侧无几何约束,受一系列稀疏波的影响,旋转爆震波强度受到不同程度的削弱,形状也发生了相应的变化。爆震波平掠惰性气体界面时的流场分布与连续旋转爆震波结构极为类似,对比研究了波前可燃气体层高度对爆震波结构和传播过程的影响,当爆震波高度较小时,其抵御惰性气体侧稀疏波衰减的能力弱,波阵面严重变形,爆震波解耦。若爆震波要稳定自持传播,其必须要达到一定的临界高度来抵御稀疏波的影响。     

尖劈诱导的斜爆轰波的精细结构及其影响因素

为了揭示斜爆轰的精细结构及其影响因素,基于带化学反应的Euler方程,利用五阶WENO格式,对尖劈诱导的斜爆轰进行了数值模拟。结果表明,在劈面的压缩下,斜爆轰波阵面被分为三种结构,依次是类ZND结构、单三波点阵面结构和双三波点阵面结构。同时,根据三波点的轨迹绘制了胞格结构,其中单三波点的轨迹为平行直线,而双三波点的轨迹为倾斜的蜂窝状结构。讨论了来流马赫数和尖劈角度对劈面压缩性的影响,随着马赫数和劈角的增加,尖劈的压缩更厉害,爆轰波阵面也就越光滑。     

A theoretical method for solving shock relations coupled with chemical equilibrium and its applications

In this study, a theoretical method is proposed to solve shock relations coupled with chemical equilibrium. Not only shock waves in dissociated flows but also detonation waves in combustive mixtures can be solved. The global iterative solving process is specially designed to mimic the physical and chemical process in reactive shock waves to ensure good stability and fast convergence in the proposed method. Within each global step, the single-variable equations of normal and oblique shock relatio...     

非预混条件下的旋转爆轰燃烧室双波头演化过程数值模拟

针对旋转爆轰燃烧室双波头演化过程中流场结构变化的问题,对非预混条件下的旋转爆轰燃烧室从起爆到形成稳定的双波头过程进行了数值模拟研究。研究结果表明,从起爆到形成稳定爆轰过程,燃烧室主要经历了起爆、爆轰波对撞和稳定爆轰三个阶段；在爆轰波对撞阶段,首次对撞是两个爆轰波间的对撞,由于对撞点处缺少新鲜混合气,从而在对撞结束后衰减为两个压力波。第二次对撞是两个压力波间的对撞,因为在第二次对撞点附近存在新鲜混合气来支撑爆轰波的持续传播,故对撞结束后产生了一个爆轰波和一个较弱的压力波；第二次对撞发生后,燃烧室内的压力波反射叠加并形成局部高压区,此高压区压缩气体使气体温度升高,高温气体引燃混合气后,最终发展成为第二个爆轰波；稳定阶段,两个爆轰波均能稳定自持传播,爆轰波峰面压力可达1.45MPa,波后温度为2500K,爆轰波速度稳定在1738m/s,产生的推力与比冲分别为79.76N和2312.15s；斜激波的存在使燃烧室出口平面流场产生了较大波动。      

双楔面诱导的斜爆轰波阵面的磁流体控制

基于高超声速飞行器爆轰推进发展需要,数值研究了由双楔面诱导的斜爆轰波类型及其磁流体(MHD)控制的可行性,探讨了后楔倾角变化对双楔斜爆轰流场与MHD控制的影响.结果表明:对于前、后楔倾角分别为15°与20°的双楔面诱导的斜爆轰,Lorentz力可以将不同来流马赫数条件下的稳定斜爆轰波阵面恢复到设计位置,并可以使不稳定斜爆轰波趋于稳定,但是,无法将不稳定斜爆轰波恢复到设计位置.而当后楔倾角稍微增加时,若爆轰流场稳定,同样可对斜爆轰波阵面进行有效控制.但当后楔倾角大于25°时,稳定斜爆轰波流场失稳,此时MHD无法控制流场稳定性.但若增加气体反应速率,虽然斜爆轰波不稳定,MHD控制却可使其趋于稳定,但无法将爆轰波阵面恢复到设计位置.      

超声速预混气的热射流起爆过程数值模拟

采用带有化学反应的Euler方程,对超声速预混气的热射流起爆过程进行了研究。在来流速度大于CJ(Chapman-Jouguet)爆震速度的情况下,射流所导致的弓形激波在爆震波起爆过程中起到了重要作用,而爆震波不稳定性导致横波的产生是决定能否完全起爆的关键因素。射流角度的改变能够影响到起爆的过程与驻定性质。随着射流角度的逐渐减小,会出现起爆后驻定、起爆后不能驻定以及起爆失败三种结果。     

富氢燃气旋转爆轰波传播特性实验研究

为研究富氢燃气旋转爆轰波传播特性,利用氢气与氧气预燃烧产生的富氢燃气作为燃料,空气为氧化剂,开展了旋转爆轰实验研究。对富氢燃气旋转爆轰压力变化、时频特性及传播速度等参数进行了分析,研究了不同传播模态下富氢燃气旋转爆轰波传播特性。研究表明：本文实验条件下,富氢燃气与空气旋转爆轰的传播模态主要受当量比影响,当量比高于1.06时呈现单波模态,随着当量比减小,旋转爆轰波呈现单波-双波过渡模态,即同一工况下,单波模态和双波模态交替出现,当量比减小到0.68左右时,基本呈现复杂的双波模态;在270 g/s的空气流量下,当量比增大,旋转爆轰波在环形燃烧室内的传播速度随之提高,但当量比到达临界点以后,传播速度提高不明显;在相同当量比下,当空气流量增大到370 g/s 时,旋转爆轰波的传播速度会进一步提高;空气流量越大,临界点对应的当量比越低,其中270 g/s空气流量对应临界当量比为1.32,370 g/s空气流量对应临界当量比1.16;达到临界当量比以后,传播速度受当量比和空气流量影响不大。     

用于爆震引燃的激波聚焦无反应流场数值模拟

通过对用于脉冲爆震引燃的内楔表面激波聚焦冷态流场的数值模拟，分析了不同角度内楔表面在激波聚焦时流场结构的不同特点。数值计算的结果表明：对于大内楔角的情况，激波进入内楔角之后产生规则反射，温度的大幅度升高发生在激波于内楔顶点反射之后；对于小内楔角的情况，激波进入内楔角之后产生马赫反射，温度的升高在入射激波到达内楔顶点之前就已经发生，而在入射激波于内楔顶点反射之后得到进一步的提升。同时，还对不同角度内楔的反射激波后气流温度进行了比较。     

预爆管爆震波衍射特性数值研究

为了实现预爆管出口爆震波向主爆管的成功传播,针对预爆管出口不同几何形状,开展了数值模拟研究,获得了爆震波从预爆管向主爆管传播的衍射特性.研究表明:当预爆管出口为直喷管时,不能实现向预爆管出口截面上游传播的爆震燃烧;当预爆管出口扩张角为45°时,可以实现爆震波在主爆管内向衍射面上、下游传播,研究结果获得的爆震波衍射特性得到了试验验证.      

螺旋爆轰内部胞格结构实验探索

为研究螺旋爆轰胞格结构,选取预混气C2H2+2.5O2+85%Ar、C2H2+2.5O2+70%Ar与C2H2+5N2O在光滑管中进行爆轰实验,使用烟膜记录管道侧壁与端面胞格结构。编写MATLAB程序处理烟膜记录,比较侧壁横波间距、端面胞格直径平均值,以及相邻端面胞格中心点距离平均值与标准差。其中,侧壁横波间距明显大于管壁附近端面胞格直径平均值。另外,相较于稳定气,不稳定气近管壁与近管轴区域的端面胞格直径差异更大,不同压力下预混气C2H2+5N2O近管壁与近管轴区域的端面胞格直径差异分别为47.91 %、59.64 %、40.42 % 与37.21 %。为进一步探索爆轰波内部结构,使用CH4+2O2在5 mm、15 mm与25 mm宽度的环形管进行实验,对比侧壁及端面烟膜结果可观测到内部螺旋横波旋转方式。相对环管宽度而言,初始压力是胞格尺寸的主要影响参数,而整体上外侧壁胞格尺寸稍大于内侧壁胞格尺寸。     

气相爆震波衍射现象的数值研究

对不同条件下气相爆震波在突扩管道和带扩散段管道中的衍射过程进行了数值研究.结果表明:起爆管的直径和临界爆震管直径对爆震波能否成功衍射传入主爆管起到决定性的作用.壁面反射激波与爆震波相互作用在邻近壁面处产生高温、高压区域,有助于减少爆震的诱导时间以及横波间距.扩散段扩散角越小时,反射激波强度越大.高强度的反射激波会将爆震波分为3段,在分界点处产生高温、高压点,对爆震波的衍射传播起到支持作用.      

汽油/空气两相脉冲爆震发动机触发爆震的研究

有效的触发爆震波是脉冲爆震发动机正常工作的关键所在。为了在多循环两相脉冲爆震发动机的缓燃到爆震转变过程中,有效的控制激波反射,成功的触发爆震。通过在爆震室内合理的排放障碍物来促进激波与火焰的相互作用,组织激波反射,适时的触发爆震,从而有效地缩短促发爆震的距离,并最终获得充分发展的爆震波。试验发现爆震管内同样的障碍物在不同的位置起到的作用不同。在直径58 mm,长度1275 mm的汽油/空气PDE爆震管内成功触发频率为50 Hz的爆震。      

吸气式脉冲爆震发动机原理性试验研究

设计了内径分别为60、70mm的两组吸气式两相脉冲爆震发动机,在略高于常压状态下成功进行了以汽油为燃料、以空气为氧化剂的吸气式两相脉冲爆震发动机原理性试验。进气道内采用无阀的进气结构,试验中在爆震管内部安装Shchelkin螺旋来促进爆震波的生成,所测量的爆震波接近充分发展的C—J爆震波。内径60、70mm的发动机最高工作频率分别为15、20Hz。进气道内压强变化幅度在0．1MPa左右,说明所设计的进气道与爆震管匹配良好,这将为脉冲爆震发动机用于工程实际提供技术储备。     

旋转爆轰流场的数值模拟

基于带化学反应的二维Euler方程,采用氢气-空气的9组分19步基元反应简化模型,对充有当量比的氢气-空气预混气和空气的环形旋转爆轰流场,从点火燃烧到发展成旋转爆轰的过程进行了数值模拟。根据数值结果分析了波后流场中爆轰产物受激波、高温和离心力等作用而挤向外壁,形成有利于充入燃料,实现持续稳定旋转爆轰的流场特征。还讨论流场中爆轰波、激波与间断面和内外壁面反射或折射,从而形成多个激波相交的波系特征。为认识和理解旋转爆轰流场,开展旋转爆轰的实验研究等具有现实的指导意义。     

旋转爆震波发动机二维数值模拟

采用一种改进的化学非平衡流解耦方法对Euler反应流方程解耦处理,对流项采用五阶WENO格式离散,化学反应源项的刚性采用简化的隐式方法处理,时间步进采用二阶精度的Runge-Kutta方法,对H2/Air预混气旋转爆震发动机内流场进行了二维数值模拟。模拟结果给出了不同发动机尺寸条件下的详细起爆过程,结果表明当发动机尺寸小于临界直径时无法成功起爆;详细分析了流场结构和爆震波形状,旋转爆震波的传播速度与理论预测值吻合;性能分析结果表明在喷注总压低于燃烧室平均压力时仍可实现推进剂喷注,没装尾喷管的情况下发动机比冲达到176.5s。