脉冲爆震发动机数值模拟

为了获得脉冲爆震发动机(PDE)工作过程数值模拟技术,发展了DET2D程序,并以美国海军研究生院的气动阀式PDE为研究对象,进行了整机数值模拟。结果显示:所发展程序稳定、高效,可以用于多脉冲PDE流场的数值模拟及吸气式PDE数值模拟。通过计算,验证了PDE的工作原理和所发展程序的正确性。     

脉冲爆震发动机气动阀阻力特性

利用风机出口速度模拟脉冲爆震发动机(PDE)的不同飞行状态,采用力传感器研究不同进气动压(飞行速度)下,气动阀关闭和开启时PDE的阻力。试验表明:PDE阻力随进气动压增加线性增加,与飞行速度成平方关系。气动阀关闭时阻力最大,对不同结构型式的气动阀,在其开启时阻力不同。PDE爆震室装扰流器时阻力增加,不同气动阀在装同种扰流器时,其对PDE的阻力影响程度不同,安装整流栅有利于降低阻力。试验结果在保证PDE正常工作和产生一定推力的条件下,对研究减小PDE阻力和提高有效推力及预估高速飞行时的阻力有重要参考价值。     

超声速高度欠膨胀冲击射流的大涡模拟

冲击射流广泛应用于短距起飞垂直降落飞行器(SVTOL)等航空航天领域.本文采用大涡模拟方法对高度欠膨胀的超声速冲击射流的流场进行了数值模拟.本文数值模拟得到了高度欠膨胀冲击射流流场中的激波结构和内外剪切层中不同尺度的涡结构.数值结果观察到了马赫盘的振荡,以及在斜激波、马赫盘及大尺度涡结构的共同作用下,射流内外剪切层之间的环形激波的生成与消失的周期过程.并对流场内剪切层的涡结构的演化进行了研究,数值结果显示内剪切层的大尺度涡结构的形成与马赫盘的振荡相关,在内外剪切层的作用下形成了壁射流区内外交错的涡结构.     

两相多循环扇形PDE试验研究

设计了一台内径90mm、外径200mm、长度1500mm,扇形角约为60°的气动阀式扇形PDE,试验研究了孔板式气动阀和旋流式气动阀两种结构的工作特性,成功实现了扇形PDE在两相混气中最高40Hz频率连续工作;研究了扇形管内不同结构激波反射器对爆震波触发的影响,试验发现,逆流安装的激波反射器对爆震波触发有利.      

某气动阀式脉冲爆震发动机进气道流动特性研究

 对某气动阀式脉冲爆震发动机(PDE)亚声速进气道进行了试验和数值仿真研究,分析了该进气道在冷流条件和点火条件下的流场结构和工作特性.结果表明,在冷流条件下,通道内整流锥上游的流动较顺畅,无可见分离存在.但在点火条件下,爆震波的干扰使得进气道出口的压强呈周期性振荡,其峰值压力达300 kPa以上.由于气动阀并没有起到有效的隔离作用,爆震波在进气道出口平面形成的压力扰动会逐渐向上游传播,并在2 ms内越过气动阀,导致进气道进口出现了高速整体倒流,其倒流时间占据了约半个周期,且瞬时倒流马赫数最大可达到0.8.本文还对冷流条件和点火条件下的进气道流场进行了数值模拟,仿真较好地模拟出了该进气道的试验条件,且进气道内流动与试验基本一致.非定常仿真结果进一步表明了该进气道在爆震高压扰动下会出现整体高速倒流的现象.由于进气道进口的瞬时倒流形成了较大的反向冲量,对爆震发动机的推力特性极为不利,故必须在下一步的研究中对气动阀进行改进.     

微型飞行器小展弦比薄翼流场中的翼尖涡特性分析

采用虚拟压缩方法求解三维不可压缩N-S方程,数值模拟了无弯度、有弯度两类微型飞行器低雷诺数小展弦比薄翼的流场,将得到的结果与实验进行了对比,数据间吻合较好.然后在此基础上分析了小展弦比薄翼的气动力特性,详细研究了小展弦比薄翼流场中翼尖涡的涡态结构及形成规律,在对小展弦比薄翼流场尾迹区的翼尖涡采用近似模型的基础上,对尾迹区翼尖涡的强度进行了分析.结果表明,翼尖涡是影响小展弦比薄翼气动力和流动分离特性的一个重要因素.     

二维喷管的初始流动

基于可压缩Navier-Stokes方程,采用大涡模拟方法与高精度混合WENO/TCD格式,对Ma=1.4的超声速平面射流初始流场进行了数值研究.数值结果清晰地描述了超声速平面射流初始流场的结构特征,包括主涡环与激波结构以及它们演变过程.因主涡环内存在涡导激波对,激波与涡相互作用加速射流剪切层失稳,使剪切层首次卷起形成小涡的位置出现在涡导激波对后,此与亚声速射流情况不同.小涡串卷起成后,相继与涡导激波对相互作用,使激波出现明显的变形并加速主涡环失稳.      

颗粒两相流自由剪切层大涡模拟

采用大涡模拟(LES)方法数值仿真了可压缩流自由剪切层内颗粒两相流流场结构.气相控制方程采用二维盒式滤波法滤除小于网格尺度的小涡以得到LES控制方程,而流场中小涡对大涡的影响采用K-ωSST湍流模型模拟.在Lagrange坐标系下用颗粒轨道模型仿真颗粒运动,用双线性插值方法实现Euler坐标系到肌Lagrange坐标系的转换,并考虑了颗粒速度和温度的改变对气相流场的反作用.分析了仿真结果中气相自由剪切层的涡结构特性,不同St数颗粒在流场中的运动特性,颗粒对流场的反作用效果,得到了合理的结论.     

防热试验用高温超声速燃气流场热环境分析

对用于防热系统试验考核的高温超声速燃气流场的流场结构和热环境特性进行了计算和分析.将CFD模拟方法与工程计算方法相结合,对两类锥形喷管形成的燃气流场进行了数值模拟计算和流场结构分析,并与试验过程中高速拍摄的图片进行了比对.利用模拟得到的流场气动参数,计算了沿流场轴向位置球头驻点模型的热流和压力,并与试验测量数据进行了对比,结果吻合较好.锥形喷管形成压缩波和膨胀波交替的流场结构,导致流场气动参数与模型热流和压力形成正弦变化的特点.     

乙烯超声速燃烧室悬臂斜坡喷注器射流数值分析

超声速燃烧室中燃料的掺混强化问题越来越受到各国的重视,为了研究超声速燃烧室中悬臂斜坡低动压喷射的流动特性,通过数值模拟方法研究悬臂斜坡喷注器对乙烯射流的作用规律,对比分析有无悬臂、有无后掠以及不同悬臂构型对流场的影响.结果表明:相对于传统斜坡结构,悬臂斜坡结构可使流场远场掺混效果得到明显改善,穿透深度增加;后掠结构能有效增强流场流向涡,从而达到掺混增强的效果,但同时带来更大的总压损失;三角悬臂斜坡结构相比于后掠悬臂斜坡结构对流向涡增强效果不明显,掺混效果弱于后掠悬臂斜坡结构,但总压损失较小;两种后掠悬臂斜坡结构的流场特性差异不明显.     

一种强剪切空气雾化喷嘴的流场和喷雾

采用数值和实验方法对一种强剪切空气雾化喷嘴的流场和喷雾特性进行研究.采用粒子动态分析仪(PDA)实验研究了不同气液比下强剪切空气雾化喷嘴的速度场和喷雾场,并对该喷嘴的流场进行了数值计算,所得的计算结果与实验数据比较吻合.研究结果表明:强剪切空气雾化喷嘴的设计合理,两股旋流空气在喷嘴内部完成强烈的动量交换,并对燃油进行了强剪切.强剪切空气雾化喷嘴在宽调节比范围内能够完成良好的雾化,当气液比变化10倍,液雾的索太尔平均直径分布均处于20~60μm之间.随着气液比的增大,线平均索太尔平均直径逐渐减小,推导了适用于该喷嘴的索太尔平均直径计算模型,可为强剪切空气雾化喷嘴设计提供参考.      

煤油/空气小尺寸脉冲爆震发动机实验研究

 为探索微小尺寸脉冲爆震发动机(SPDE)推进系统可行性,进行了气动阀设计,改善燃油雾化、掺混、点火性能和强化燃烧等SPDE关键技术的研究。设计了一台内径为29 mm,总长度为1 175 mm的气动阀式SPDE样机,采用航空煤油为燃料和地面冲压进气,并在该样机上进行了低点火能量的多循环实验研究。实验结果表明：SPDE能够在20~40 Hz频率下多循环地稳定工作,平均峰值压力均高于145 MPa;随着频率的增加,爆震室内平均压力峰值和爆震波平均速度都有一定的降低趋势;研究结果为有限空间和时间内的燃油雾化、蒸发和掺混进一步研究提供了依据,对研制工程应用的SPDE具有重要意义。     

脉冲爆震发动机倒旋流气动阀性能实验

为了得到高性能的脉冲爆震发动机气动阀,根据以前研究者气动阀设计的经验,提出倒旋流气动阀设计思想,以此设计思想设计了五种结构不同的气动阀,并分别对五种气动阀性能进行了冷态和热态试验研究。试验结果表明:倒旋流数越大气动阀的单向性能越好;在进气道进口加装长1.5D(D为进气道进口直径)的直管,可获得最佳的气动阀单向性;综合考虑进气总压损失和气动阀单向性等因素,认为轴向倒旋流气动阀更适合PDE应用。通过轴向气动阀的热态试验结果表明:采用倒旋流设计的气动阀,可有效抑制前传压力约70%。     

脉冲爆震发动机旋流式气动阀的设计与实验

为了研究大管径吸气式脉冲爆震发动机(PDE)的爆震性能,设计了不同结构的旋流式气动阀,由弯曲叶片构成气动阀推力壁"封闭"平面.开展了气动阀阻力系数实验与工程计算方法研究,不同气动阀的阻力系数差别很大,实验结果与理论计算结果相符.爆震燃烧实验证明,阻力系数较大的气动阀能够产生爆震波,要求气动阀阻力系数大于10,堵塞比大于60%,才能实现PDE的协调工作.从而获得了气动阀设计一般原则与工程计算方法,对于气动阀的优化设计有重要的参考价值.      

钝体/阻流孔式气动阀工作机理及流阻特性研究

针对脉冲爆震发动机的工作特点构思了一种钝体-阻流孔式气动阀,对该气动阀的工作机理进行了分析,通过二维数值方法初步研究了该气动阀的流场分布情况及流阻特性.结果表明:该气动阀具有良好的单向性,出口压力为100kPa时,该气动阀在来流压力100kPa      

离心式同向双旋流器空气雾化喷嘴雾化特性研究

对一种组合式的离心式同向双旋流器空气雾化喷嘴喷雾特性进行研究.双旋流器采用旋向相同的径向开孔式设计,在常温常压下试验,研究不同空气压力降和喷嘴供油压力工况下液雾的索太尔平均直径及分布指数.试验中以航空煤油为介质测试其雾化性能,采用马尔文激光测雾仪测量喷嘴下游50 mm处的液雾分布.结果表明:随着空气压力降和喷嘴供油压力的增大,索太尔平均直径减小,分布指数增大,推导了在空气压力降Δp/p＞3%和Δp/p＜3%两种工况下索太尔平均直径计算模型.      

气动阀式脉冲爆震发动机供油位置对爆震波峰值压力和频率的影响

在汽油和空气气动阀式脉冲爆震发动机(PDE)协调工作的基础上,研究了离心喷嘴在气动阀前方和后方供油时对爆震波峰值压力及PDE工作频率的影响.试验研究表明:在气动阀前方供油比在后方供油提高了爆震燃烧效果.建立了气动阀式PDE时序分析模型,在给定频率下预测的理论填充速度与实验观测结果相符.基于该模型的研究结果表明:在相同填充速度条件下,前、后方供油对PDE的工作频率影响不大,而缓燃-爆燃转捩(DDT)时间为2 ms的PDE,可以实现的工作频率约是DDT时间为3.8 ms的两倍.      

乙烯和汽油多循环脉冲爆震发动机起爆特性比较

为了研究脉冲爆震发动机(PDE)结构对其工作性能的影响,在内径为40mm、长为1050mm的气动阀式脉冲爆震发动机样机上,进行了气态乙烯/空气和液态汽油/空气的多循环起爆特性试验研究.研究结果表明:在25,30Hz和40Hz下都能在乙烯/空气中成功触发爆震波,40Hz下产生C-J(Chapman-Jouguet)爆震波,传播速度为1724m/s(低于C-J爆震波速度理论值1832.45m/s的5.6%),峰值压力为3.01MPa(高于C-J爆震波压力理论值2.79MPa的7.88%).在相同结构下,汽油/空气未能完成由缓燃向爆震转变的过程.通过对比两种燃料下的试验结果发现:相对于气态燃料,液态燃料受其蒸发过程的影响,在爆震管内的火焰加速缓慢,需要更多的强化燃烧装置来加速火焰,带来的总压损失也更大.因此,对于液态燃料改善雾化和蒸发,提高可爆混气的质量是其实现低阻起爆的关键.      

脉冲爆震发动机倒旋流气动阀数值与实验研究

为了减小脉冲爆震发动机爆震燃烧时气动阀的倒流量,提出一种倒旋流气动阀,给出了不同倒流旋流数下模型气动阀的流动分析.结果表明:对于几何尺寸给定的气动阀,存在一个最佳的旋流数,此时气动阀的单向阀性能最好,气动阀的最佳旋流数约为1.0.此外,设计了旋流数为1.364的气动阀,进行了实验,冷态实验结果验证了数值方法的可靠性;热态实验表明采用该气动阀可以在直径114mm的爆震管获得频率为40Hz稳定的爆震波.      

煤油/空气三管气动阀式脉冲爆震发动机

 在煤油/空气单管气动阀式脉冲爆震发动机(PDE)研究基础上,建立了煤油/空气三管气动阀式PDE实验系统。在进气加温的条件下,以煤油为燃料,低污染空气为氧化剂,在内径为100 mm、长为2 000 mm的3个爆震管组成的三管气动阀式PDE中进行了多循环爆震实验,成功实现总工作频率30 Hz情况下,保证三管正常时序工作,在每个爆震管中均获得稳定发展的Chapman Jouguet(CJ)爆震波,研究了共用进气道对爆震室充填混气的影响和不同工作频率下三管气动阀式PDE的爆震波压力特性。研究结果为进一步研究多管PDE提供了基础,为探索脉冲爆震 涡扇组合发动机(PDTE)的可行性提供了初步的理论依据。