多管脉冲爆震发动机流场数值研究

针对二维带有收敛扩张喷管的双管脉冲爆震发动机(PDE),采用并行的时空守恒元和解元(CE/SE)方法对单管点火、双管同时点火和不同喉道面积情况下的爆震流场进行了数值模拟。化学反应模型采用H2和O2的8组分34基元反应。计算发现,单管点火情况下传入旁通爆震管的流场可以引爆其中的可燃气体;多管PDE内流场之间的相互作用使管内的压强处于比较高的状态;增大喉道面积削弱了多管PDE流场之间的相互影响,同时减小了封闭端面的压力,从而导致发动机性能下降。     

气相爆轰波传播特性的数值模拟及实验对照

本文应用基元反应模型和频散可控耗散格式(DCD)对氢氧爆轰波进行了二维数值模拟.氢氧混合物的化学反应模型考虑了8种组分20个反应方程式.在处理化学反应引起的刚性问题时采用了时间算子分裂的方法.本文首先对爆轰波数值结果和实验结果进行了对照验证,然后对爆轰波在楔面反射由马赫反射向规则反射转变的过程进行了数值分析,得到了反射转变临界角,并和实验结果及理论分析进行了比较,结果是令人满意的;本文还对爆轰波的多波结构进行了初步的数值分析.     

有、无障碍物爆震管起爆过程的CE/SE模拟

用时空守恒元和解元(CE/SE)法模拟有无障碍物情况下爆震管二维爆震波的形成和传播过程,分析爆震波的不同机理,研究在较低能量下,点火区温度、爆震管管径以及障碍物对爆燃-爆震转捩过程(DDT)的影响.控制方程采取无量纲形式,用拓展的隐式梯形法实现刚性源项积分.研究表明,点火能量与点火压力相关,在较低的点火能量下,可以通过提高点火温度、减小爆震管径及加入障碍物加强爆震过程,减小爆燃-爆震转捩过程DDT时间和距离.为研究爆震波点火和DDT过程提供了理论依据.      

基元化学反应一维爆轰波的数值模拟

应用基元化学反应模型对一维氢氧混合气体爆轰波进行数值模拟。采用一端高温高压点火起爆的方式,模拟爆轰波的传播。对一维爆轰波的结构、传播特征以及各个化学组分的变化趋势进行了研究。通过将模拟的结果同国内外的研究结果进行对比,发现了一些规律,为多维爆轰波的数值模拟和脉冲爆轰发动机的研究奠定一定的基础。     

CE/SE法模拟爆震波点火及传播过程

运用时空守恒元和解元(CE/SE)法模拟一维爆震波的形成及传播过程,分析产生爆震波的不同机理和DDT(爆燃-爆震转捩)过程的影响因素.采取激波点火和热点点火两种点火方式,分别对应SDT(激波-爆震转捩)和DDT过程,热点点火初始场采用线性温度分布和阶梯性温度分布,整个管道均为常压.用隐式梯形方法实现刚性源项积分.结果表明,SDT和DDT对应于不同的爆震波机理,并且DDT受点火区不同参数的影响,为研究爆震波点火和DDT过程提供了理论依据.     

直升机用新型发动机燃烧性能的数值研究

针对液态辛烷/空气两相混合物燃烧波在一维封闭空间内传播的爆燃向爆震转变(DDT)问题,运用化学反应流动基本理论、颗粒轨道模型和两步反应模型,在拉格朗日质量坐标系中建立了对该现象的数学表达,并开发了数值模拟程序CTPD,其中气体动力学方程采用显式Sγα,β差分格式,化学反应项使用二阶精度的Adams方法.通过数值模拟研究了液态燃料爆震波的基本特性,以及点火能量及初始温度对于爆震波结构与发展的影响作用.研究发现,点火能量及初始温度的提高显著促进了爆震的转变,爆震强度随着点火能量的提高而增大,随着初始温度的提高而减小.研究中计算结果与实验波形符合良好,说明本文为包括DDT现象在内的脉冲爆震发动机工作过程提供了一种可行的计算方法.     

时空守恒CE/SE数值方法在凹槽燃烧流动中的应用研究

应用时空守恒元和解元CE/SE方法,发展了求解化学反应流场的三维并行计算程序。为验证程序,对超声速冲压喷射燃烧室模型进行了计算,计算结果与实测数据以及相关文献的计算结果吻合较好,验证了本文的处理方法和程序的正确性。采用H2和O2的8组分34基元化学反应模型,对不同长深比的凹槽燃烧流动进行了数值模拟,分析了凹槽增强混合对稳定火焰的作用。计算结果表明,CE/SE方法具有模拟凹槽超声速燃烧流动的能力,数值模拟的结果有助于认识凹槽的火焰稳定机理。     

喷管化学反应粘性流场的数值模拟

用时间相关法的显格式求解氢氧发动机喷管的粘性化学反应流动,采用６种组分,８个基元反应有限速率的化学反应模型,湍流模型采用Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ代数湍流模型,得到流动参数和产物的质量分数在喷管流场中的分布。计算结果表明,采用显格式方法求解喷管化学反应粘性流动是可行的。     

脉冲爆震发动机喷管流动的数值模拟

为了研究喷管形状及充气状况对脉冲爆震发动机推进性能的影响,发展了基于有限速率基元化学反应模型的网格自适应有限体积程序,对影响脉冲爆震发动机推进性能主要过程进行了数值模拟,计算结果和相应的实验结果较为一致。锥形喷管的算例表明,不仅锥角对喷管性能有重要影响,而且同一锥角下喷管内的充气状况对喷管性能也有重要影响。在喷管内充空气情形下,爆轰波进入喷管后迅速衰减为激波,扩张管道的超声速膨胀使得喷管壁面压力显著下降,从而削弱了喷管提高脉冲爆震发动机推进性能的作用。在喷管内充燃气情形下,爆轰波进入喷管后可一直维持到喷管出口,显著提高了脉冲爆震发动机的推动性能。     

基于旋转爆震三维流场结构分析的计算模型对比研究

为了研究不同计算模型对三维旋转爆震数值模拟的影响,分别基于Euler方程、N-S方程、RANS方法和IDDES方法并结合滑移、无滑移壁面边界条件,耦合氢气/空气的有限化学反应速率模型（7组分8基元反应）,采用高分辨率的五阶有限差分格式WENO-PPM5离散对流项,对圆环筒型燃烧室内的三维旋转爆震波进行数值模拟,得到了不同模型下旋转爆震波的流场结构、传播特性和推力性能。对比了不同计算模型对流场结构的影响。当采用滑移壁面边界条件时,Euler方程和N-S方程的计算结果较为一致。当使用无滑移壁面边界条件时,边界层的存在会导致可燃混气与燃烧产物之间接触面上的爆燃燃烧区域沿壁面向上游渗透,增大爆燃区域的范围;且爆震波锋面非受限侧变窄、严重变形,不同计算方法计算的变形程度有所不同。     

高速飞行弹丸诱导的三维爆轰波数值模拟

采用三维非定常化学反应控制方程组对驻定在带攻角高速飞行弹丸上的斜爆轰波流场进行了数值模拟。对流项和化学反应项采用时间分裂法,分别用TVD格式和基元反应模型进行处理。计算结果表明三维数值模拟可以更准确的描述弹丸飞行攻角对爆轰波的形成及结构的影响,是进一步研究超驱爆轰推进技术的重要手段。     

进气温度和当量比对脉冲爆轰发动机工作过程影响

为了研究进气温度和当量比对脉冲爆轰发动机工作过程的影响,建立了带简单化学反应的气液两相爆轰欧拉-拉格朗日模型,使用二维时空守恒元与求解元(CE/SE)方法和变步长4阶龙格-库塔法分别求解气液两相爆轰方程.计算结果表明:提高进气温度,能加速液滴雾化、蒸发,缩短燃烧转爆轰距离和时间,但是会降低爆轰波的峰值压力;当量比小于1.1时,增加当量比,能缩短燃烧转爆轰距离和时间,提高爆轰波的峰值压力,加快爆轰波传播速度;当量比大于等于1.1时,增加当量比,能小幅提高爆轰波速传播度和缩短燃烧转爆轰距离和时间,但对爆轰波的峰值压力影响很小.      

燃烧室轴向和周向长度对气液两相旋转爆轰特性的影响

为了研究旋转爆轰发动机燃烧室轴向和周向长度对气液两相旋转爆轰特性的影响,采用守恒元和求解元(CE/SE)方法对带化学反应的汽油/富氧空气两相旋转爆轰理论模型进行求解,获得了气液两相旋转爆轰流场结构,并分析了燃烧室轴向和周向长度对燃烧室流场、爆轰波传播特性以及发动机推力性能的影响。计算结果表明:轴向长度对燃烧室上游流场影响甚小,却对下游流场参数影响较显著。随着轴向长度增加,燃烧室出口压力、温度、密度以及周向速度均降低,轴向速度则逐渐增大,同时发动机平均推力密度和燃料比冲先增大后减小。当周向长度过短,燃烧室内难以形成自持传播的爆轰波,随着周向长度增加,上游爆轰波强度增加,对应的流场参数均有所增大,但发动机推力性能略有所降低。     

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。     

水下爆轰燃气泡形态与激波传播过程研究*(爆震专刊)

针对脉冲爆轰发动机在水下工作过程中形成的燃气射流问题,搭建了水下爆轰燃气实验系统,研究了第一个爆轰循环在水下的燃气泡发展变化过程。建立了基于气液两相双流体模型的脉冲爆轰发动机水下喷射模型,采用时-空守恒元和求解元方法,模拟了爆轰波退化为激波在水中的传播及衰减过程。研究结果表明：燃气泡前期受外界水环境阻滞作用呈现“豌豆状”形态,充分发展阶段气液交界面逐渐失稳,在达到最大尺寸后开始收缩并在中心轴线位置出现凸出的射流；水下爆轰燃气射流发展过程中同时存在脱离燃气泡的水中前导激波和管口燃气泡内的高压区两部分,水中前导激波在传播过程中压力迅速衰减至常压量级,而管口燃气泡内则一直保持较高压力；中心轴线区域气液交界面处反射激波的回传使管口附近出现回击现象,并导致前导激波波阵面上压力峰值逐渐出现在30°方向上。     

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.     

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.      

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。