一种组合动力装置爆震点火的三维数值模拟

为在组合动力中寻求一种可靠、高频的爆震起爆方法,对超声速环形向心射流产生的激波在抛物形凹面腔内形成激波会聚,并起爆爆震的过程进行了三维的数值模拟。分析了环形向心射流的发展、前导激波的碰撞、激波会聚起爆爆震波及爆震波传播过程的流场变化情况。研究发现:除了激波的强度和混合气的性质这两个关键影响因素以外,在一定条件下,几何条件对能否起爆爆震有非常重要的影响。前导激波的碰撞和激波会聚产生的压力升高要远高于温度升高。激波在凹面腔内会聚形成的高能区域能直接起爆过驱动爆震波,起爆后过驱动爆震波迅速衰退成CJ爆震波。爆震波平均波速为1929.8m/s,波后压力为1.5MPa,温度为3400K。     

横向射流起爆爆震波数值研究

采用CFD软件对横向喷射的射流在预先充满丙烷/空气恰当比混合物的爆震室中起爆爆震波的过程和机理进行了数值模拟,并讨论了射流的压力、速度以及温度对爆震波起爆特性的影响.结果表明,对于计算的物理模型,爆震射流不能在爆震室中直接起爆爆震波;射流与壁面的碰撞形成激波反射,激波反射产生的横渡、热点和局部爆震引发起爆;能够成功起爆爆震波的横向射流存在最小的射流压力,该射流压力为0.9MPa;较小的射流压力、较小的射流速度或较低的射流温度都不利于横向射流在爆震室中起爆爆震波.     

环形射流初始压力对激波聚焦起爆的影响分析

为了研究射流入射压力对环形激波聚焦爆震起爆的影响,以氢气和空气混合物为例,对不同射流入射压力下环形激波聚焦爆震起爆过程进行了数值模拟,结果表明,当环形射流入射强度足够大时,其形成的激波聚焦能够形成高温、高压区域,从而直接起爆爆震波;爆震管推力壁对激波具有反射加强作用,有助于爆震波的形成;环形射流入射压力存在一个临界值,低于此值时,则不能起爆爆震波.      

脉冲爆震燃烧室与涡轮相互作用的试验

采用汽油和空气作为燃料和氧化剂,进行了脉冲爆震燃烧室(PDC)与涡轮相互作用的原理性模型试验装置的试验.试验结果表明:PDC工作平稳,在发动机爆震工作时压气机出口空气质量流量比用于PDC产生爆震的空气质量流量大100kg/h左右;在PDC出口前已形成充分发展的爆震波,压力波经过涡轮膨胀后峰值压力和波速明显降低;且充填系数越大,各位置处的平均峰值压力越高,压力波经过涡轮后的衰减越小;涡轮在经受累计40多分钟共12 000多次脉冲爆震波或压力波的冲击后仍然完好无损.     

壁面抽吸条件下的爆震波传播特性

为研究静止气中壁面抽吸对爆震波传播特性的影响,采用数值模拟方法研究了多孔抽吸壁面条件下爆震波的流场结构、传播速度等特性的变化规律。结果表明多孔抽吸壁面对爆震波传播特性有两方面的影响。首先,流场与多孔壁面发生碰撞产生弧形激波,弧形激波对爆震波的横波结构造成直接破坏,导致靠近多孔壁面区域的爆震波产生明显的速度亏损,爆震波强度削弱甚至熄爆;其次,多孔壁面作用导致了流场不稳定性增强,流场与孔板碰撞产生高温高压点,对爆震波的传播有促进作用,尤其在临界条件下,可能导致爆震波熄爆后重新起爆。在保持抽吸压力和边界条件不变情况下,对不同活性及不同抽吸距离时的爆震波传播特性进行研究,发现预混气活性降低、抽吸距离增长时,爆震波结构和传播速度受壁面抽吸影响增强。在加长抽吸距离条件下,随着预混气活性的降低,存在3种爆震波传播现象,即自持传播、熄爆后重新起爆以及完全熄爆。将相应工况下的实验研究与数值模拟结果进行对比,验证了数值模拟结果的正确性。     

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.      

当量比和间隙尺寸对爆震波传播过程的影响

为探索微型脉冲爆震发动机推进系统的可行性,进行了微空间内爆震极限特性的研究.通过对预混氢气/氧气爆震火焰在平板狭缝中的传播过程进行测量,分析了爆震波压力、速度随当量比和间隙尺寸的变化趋势,发现在极限范围外,来自稳流段的爆震波都能在间隙内通过压力和速度的自我调整后达到稳定状态,调整过程所需的距离随间隙尺寸减小而增长.根据爆震波速度衰减的定义,给出了激波和火焰锋面速度沿间隙通道方向的变化特点,观察到了微尺寸下爆震波的4种传播模式:稳定爆震波、准稳定爆震波、低速爆震波和非爆震波.      

凹面腔内激波聚焦起爆爆震波过程的数值模拟

运用CFD方法和基元反应机理对环形向心射流产生的激波在凹面腔内的反射聚焦起爆爆震波过程进行了数值模拟,并根据流场分布及变化情况分析了激波聚焦及其在H2-Air混合物中起爆爆震波的全过程。对于本文建立的模型,起爆点在抛物形壁面的底部顶点处,聚焦起爆爆震波后的瞬间压力达到21.3MPa,温度达到4540K。爆震波在凹面腔内向开口端传播过程中仍会出现两次聚焦,压力达到约18MPa,温度达到4000K左右。研究结果表明:利用环形向心射流产生的激波在凹面腔内聚焦可以成功直接起爆爆震波,是一种有效的爆震直接起爆方法。     

二维爆震波数值模拟

针对爆震发动机的多维效应,利用CFD计算软件对单管脉冲爆震发动机进行了二维的数值模拟。以氢气和氧气混合物为例,仿真了爆震波在管内的传播过程以及传出管外后的流场情况。模拟所得的爆震波参数与文献中的计算结果和实验值基本一致,验证了模拟的正确性。爆震波传出爆震管后退化成一道激波,对该激波的流动情况进行了分析。     

爆震管内波与火焰相互作用机理的试验

为了解波与火焰相互作用的机理,在60 mm×60 mm×2000 mm方爆震管内,用乙炔(C₂H₂)和空气混合物进行了单爆震性能研究.利用压力传感器与离子探针同时测得爆震管内的压力和火焰传播速度.根据波和火焰触发的不同时刻来分析爆震管内波与火焰相互作用的过程.结果表明:光滑爆震管内没有产生爆震波,压力波始终在火焰前面;加入阻塞比为0.4的扰流器后,爆震管内产生了爆震波.在扰流器内部,爆震波比较复杂,弱压缩波在火焰前面,但火焰在激波前面;在扰流器出口位置以后,激波在火焰前面.      

连续旋转爆震波与涡轮静子叶栅相互作用数值研究

为了研究旋转爆震燃烧与涡轮部件组合的工作特性，对旋转爆震波与涡轮静子叶栅的相互作用过程进行了数值模拟，考虑了不同传播方向的影响，详细分析了爆震波与涡轮叶栅相互作用机理。结果表明，爆震波顺着叶盆方向传播时，在叶栅的叶盆处出现高温区，逆向传播时，同时在叶盆和叶背处都出现高温区；并且顺向传播时产生的反射波强度更大。分析了涡轮进出口压力和温度的变化过程，发现涡轮对压力的波动有一定抑制作用，顺向和逆向传播的爆震波经过涡轮叶栅后压力变化幅值分别下降了68%和57%。得到了对于当前叶栅构型，顺向传播的爆震波总压损失为11.03%，而逆向传播的爆震波总压损失为6.7%。     

爆震波在爆震燃烧室内传播过程的数值模拟

在研究混合气体燃烧中产生的爆震波传播机理的基础上,应用特征线法对爆震波在爆震燃烧室内的传播过程进行了数值模拟,为分析脉冲爆震发动机的工作原理、性能计算与分析及实验研究提供理论依据。     

斜向环形激波聚焦诱导直接起爆的大涡模拟

基于大涡模拟(LES)数值方法,利用基元反应模型对斜向环形激波聚焦诱爆氢气-空气可燃混合气直接起爆进行了详细的数值模拟.研究结果表明:在进气马赫数为2.5的条件下,斜向环形激波聚焦产生的高能区可以在可燃气体中实现直接起爆形成爆震波,并且燃料能够高效完全反应;而垂直环形激波则没能诱导出爆震燃烧过程.可见,斜向环形入射比垂直环形入射更加有利于燃料混合气聚焦诱导起爆成爆震燃烧.      

共用尾喷管多管脉冲爆震发动机数值模拟研究

采用基元反应模型和显式迎风TVD差分格式数值模拟方法,研究共用尾喷管多管脉冲爆震发动机(Pulse Detonation Engine,简称PDE)各爆震管之间相互影响.采用点隐算法解决化学反应引起的刚性问题,模拟了共用尾喷管内的流场,以及爆震波退化为激波遇到尾喷管收敛斜面反射及反射波向爆震管上游传播的过程.研究结果为多管PDE的共用尾喷管设计提供了理论基础.     

球形点火腔对脉冲爆震DDT过程影响的数值研究

为了减小脉冲爆震发动机PDE（pulse detonation engine）单次循环时间，缩短爆燃向爆震转变DDT（deflagration to detonation transition）距离是关键.为此，提出了一种在头部添加球形点火腔的新型爆震管道结构设计方案，并采用丙烷和空气为可爆混合物，通过对新型爆震管DDT过程的二维数值模拟，研究其对DDT距离以及DDT时间的影响.数值模拟结果表明，头部采用球形点火腔后，点火腔中的压缩波经过多次反射后，能够在爆震管中更快地促使爆震波形成，DDT距离大大缩短；当球形点火腔直径为1.5倍等直爆震管直径时，相对于常规等直管爆震管结构，其DDT距离和过程时间分别减少了14%和16.26%.      

环形爆震室中火焰加速数值模拟及验证

对带不同数量孔板的环形爆震室进行数值模拟,并通过试验对数值计算进行验证,来研究火焰加速现象、爆燃向爆震转变过程和不同当量比下起爆距离.数值计算采用二维轴对称非定常Navier-Stokes方程来模拟流体动力学过程.研究发现用较低的点火能量对火焰混合区的可燃气点火产生低速火焰,低速火焰向环形爆震室射流并改变方向向出口传播,火焰在孔板的阻碍作用以及火焰诱导激波和反射波的加速作用下,由层流变为湍流,湍流火焰与其诱导激波相互加强,最终引爆未燃混气;还对爆震波在孔板区的传播过程进行了分析,对不同当量比下的火焰速度和起爆距离进行了模拟研究.      

连续爆轰发动机的二维数值模拟研究

介绍了连续爆轰发动机(Continuous detonation engine,简称CDE)的物理模型及爆轰波传播的物理机理,并对CDE流场的波结构进行了分析.使用两步化学反应模型对简化的CDE模型做了二维数值模拟研究.计算了圆柱面展开二维平面的多个爆轰循环过程.模拟结果较好地匹配了相关CDE实验所获得的流场结构.数值计算结果使我们可以更加透彻地理解CDE各方面的参数,对于CDE的进一步研究具有一定的指导意义.      

弯曲方管内爆燃向爆震转变特性

为缩短爆震管轴向尺寸,采用曲管爆震管替代直管爆震管.基于弯曲方管实验器,进行了二维数值仿真计算,研究了点火位置、点火能量及弯曲段曲率半径对爆震波形成及传播的影响规律.数值模拟结果表明:爆燃向爆震转变(DDT)时间随弯曲段曲率半径增大而减小,DDT距离在弯曲段曲率半径最大时达到最小值;点火能量越大,爆震管内激波强度越大,DDT时间越小;在距离爆震管进口300mm处点火时,爆震管内爆震波压力峰值最大,DDT时间最短.     

考虑燃料雾化的气液两相连续旋转爆轰数值模拟

为研究气液两相连续旋转爆轰发动机燃烧室内爆轰波的传播特性,以汽油为燃料,富氧空气为氧化剂,建立了欧拉-拉格朗日模型进行二维数值仿真,其中气相方程采用时空守恒元与求解元方法求解,液相方程采用标准四阶龙格库塔法求解。在两相旋转爆轰模型还考虑了液滴雾化破碎过程。计算结果表明：起爆后形成的初始爆轰波经过初始燃料填充区域后逐渐衰减,随后入口附近新生成的压力波经过一系列发展形成了自持稳定传播的旋转爆轰波;旋转爆轰波的传播模态受燃料与氧化剂的喷注压力和氧化剂填充比影响,在不同工况下旋转爆轰波呈现出4种传播模态,即稳定单波模态、稳定双波模态、不稳定双波模态和不稳定单波模态;在双波模态工况下,燃烧室内初始只形成1个爆轰波,后由入口附近局部爆炸产生的压力波发展为新的爆轰波,转化为双波模态后爆轰波的强度略有下降,但燃烧室整体推力更加平稳。     

激波聚焦火焰聚心起爆器的数值研究

针对短距离内的激波聚焦起爆问题,设计了一种激波聚焦火焰聚心起爆结构,通过数值模拟方法对该结构内部流场变化进行研究。结果表明:加速区是火焰失稳加速的重要区域;聚焦区能量汇聚造成局部爆炸是燃烧转爆轰加速的关键因素,且该区域内由于几何结构形成的卷吸涡能够增强聚焦并阻碍激波回传入加速区;稳燃区主要实现爆轰波从过驱状态到稳定爆轰状态的过渡区。确定中心轴线上温度、压力波动是由于聚焦腔聚焦作用造成的,而爆轰波锋面温度压力变化是由于三波点运动造成。