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。     

膨胀波对斜劈稳定斜爆震波特性影响的数值研究

为探究燃烧室内可能存在的膨胀波对斜爆震稳定燃烧的影响，基于块结构自适应网格加密的AMROC程序，求解多组分可压缩化学反应流Euler方程，研究了膨胀波对斜劈诱导斜爆震流场的影响。发现无限长斜劈模型中，斜爆震波面角度是缓慢增加的，膨胀波影响下，斜爆震波面角度明显下降。从爆震波面角度变化中可以明显看出膨胀波的影响范围和爆震波的衰减程度。来流的低静压不会改变膨胀波影响范围，但容易导致爆震波衰减直至发生解耦，因此高马赫数低静压来流条件下斜爆震燃烧的稳定性和燃烧效率需要着重考虑。此外，使用普朗特-梅耶膨胀波基本原理对膨胀区进行分析，发现爆燃区流场参数与理论值吻合较好，且壁面附近前马赫线角度与近似膨胀波前沿较为接近；基于此，发展了一种定性评估斜劈末端膨胀波影响范围的手段，在膨胀波前马赫线角度基础上适当增加4°～10°，可以近似得到膨胀波的前沿位置。     

预混气爆震波在不同直径管间的传播特性

在管径20mm与60mm的两管间研究了预混气爆震波的传播特性,着重测量了爆震波传递过程中的压力与速度变化,并分析了预混气压力、浓度、当量比以及连接段尺寸等参数对爆震波传播的影响与规律。研究发现:小管中没有爆震时大管中仍然可以出现爆震波,小张角的连接段对爆震波的再触发有利,再触发后的爆震波其压力、速度受到预混气压力、浓度及当量比等参数的影响。      

爆震管内爆燃到爆震转捩过程的实验研究

基于常温常压轴向进气条件下气动阀式两相爆震发动机模型开展爆燃到爆震转捩过程的研究，利用离子探针和高频压力传感器测量了管内火焰传播速度和燃烧压力波。研究结果表明，管内爆震波形成的初始位置在正常火焰面下游的一定位置处，如假设爆震管内波和火焰面是一维的，则在爆震波产生的最初一段时间内，爆震管内将出现三道火焰面：往出口方向传播的正常火焰面和爆震波火焰面及往进口方向传播的回传爆震波火焰面。     

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.      

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。     

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。     

基于预爆震管的旋转爆震波建立和传播过程研究

预爆震管已成为旋转爆震发动机的主流点火方式,为研究预爆震管点火方式下旋转爆震波的起始和传播过程,本文采用动态压力传感器、离子探针以及高速摄影等实验手段,分析了旋转爆震波的建立过程,探讨了预爆震管与燃烧室的相互作用,总结了预爆震管出口直径、初始填充压力以及排气时间对旋转爆震波建立和传播的影响。研究表明：由于衍射作用,从垂直安装预爆震管传出的爆震波,在燃烧室内迅速发生解耦,形成来两道传播速度相同、方向相反的的低速燃烧波。两道燃烧波沿燃烧室周向不断加速并对撞,对撞多次后最终发展成一道旋转爆震波。预爆震管出口直径对旋转爆震波建立时间的影响要明显大于初始填充压力的影响。增大预爆震管出口直径,可提高燃烧室内初道激波和燃烧波的强度,有利于降低DDT时间,但由于预爆震管对旋转爆震波的传播具有一定消弱作用,旋转爆震波的平均传播速度略有减小。当预爆震管处于排气阶段时,旋转爆震波仍可稳定传播,其排气过程并不影响旋转爆震波建立时间。     

突跃型与平滑型斜爆震波起爆机制数值模拟

采用带有化学反应的Euler方程,对突跃型与平滑型2种形态的斜爆震波(ODW)在起爆机制和结构特点等方面的差异进行了研究.结果表明:斜激波(OSW)后是否存在亚声速区是判定斜爆震形态的依据.当波后火焰抬升斜激波面使得亚声速区存在时,横向激波与三波点结构就会出现并形成突跃型斜爆震.当波后所有区域皆为超声速区时,波后火焰燃烧无法影响到上游激波面,则会形成平滑型斜爆震.通过斜激波关系式给出了横向激波形成所需的临界斜激波角度,只有当斜激波角度大于此临界角度时才能形成突跃型斜爆震波,反之则形成平滑型斜爆震波.      

圆环片扰流器对爆震燃烧特性的影响

在飞行状态下成功实行液态燃料的连续爆震在工程上有较大的难度。通过在爆震管内安装扰流器促进爆震波的形成,并针对不同扰流器结构参数对管内爆震燃烧压力和火焰传播速度的影响开展了实验研究,获得了爆震燃烧特性随扰流器长度、间距和起始位置的变化规律。结果表明:燃烧波峰值压力和火焰传播速度随扰流器片数、间距的增加和起始位置的变大而增大;当在管内产生爆震波后(爆震波峰值压力大于1.4M Pa,火焰传播速度>1 000 m/s),燃烧波压力和火焰传播速度随上述参数的改变变化不大。      

基于自适应网格加密的超声速可燃气热射流起爆详细反应数值模拟

采用块结构自适应网格加密开源程序AMROC,在高性能计算集群中,进行氢气、氧气、氮气详细反应机理的二维超声速热射流爆震起爆自适应网格精细数值模拟,研究在热射流的持续喷射作用下超声速可燃气热射流爆震起爆,以及形成的精细的爆震胞格结构.结果表明:超声速可燃气流中热射流类似气动斜劈,形成局部激波诱导燃烧.超声速可燃气中持续的热射流喷射会形成过驱爆震,并导致不规则爆震胞格的生成.热射流的扰动压缩作用对过驱爆震的形成以及不规则爆震胞格的产起着关键的作用.热射流的扰动压缩波以当地声速通过爆震波后的亚声速区域作用于爆震波,使爆震波处于持续过驱状态,并形成不规则的爆震胞格结构.     

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.      

环形燃烧室中圆台斜爆震燃烧特性研究

面向宽域爆震组合动力发展需求,首次提出适用于轴对称环形流道的圆台诱导斜爆震燃烧组织形式,通过数值模拟验证较低马赫数飞行工况下圆台诱导驻定斜爆震燃烧的可行性以及与斜劈、圆锥斜爆震燃烧的差异,从几何与来流参数两方面研究了圆台诱导斜爆震波的起爆与驻定特性。结果表明：在Ma7飞行工况,相比于圆锥和斜劈,环形燃烧室中圆台可以同时实现斜爆震波的加速起爆与稳定驻定。圆台上游的压缩作用以及下游的膨胀作用,使得圆台斜爆震波存在脱体而不前传的特殊起爆区结构。圆台内径、圆台角度、来流压缩程度以及当量比增大均有利于圆台诱导斜爆震波的起爆。同时,起爆区结构也会出现从渐变到突变再到稳定脱体的变化规律,相应的起爆距离逐渐缩短,爆震波角度逐渐增大。     

煤油/空气气动阀式脉冲爆震发动机试验

为了研究煤油/空气气动阀式脉冲爆震发动机(简称PDE)的爆震波特性,建立了一整套试验系统,在进气加温和燃油加温的条件下,以液态煤油为燃料、以空气为氧化剂,在内径100 mm、长为2000 mm的爆震管内进行了大量的多循环爆震试验。研究了液态煤油和低污染空气(接近纯空气)形成的可爆混气的爆震波特性,研究了气动阀和空气加热器的设计方法等。研究结果为进一步研究液态燃料和高污染空气形成可爆混气的爆震燃烧机理提供了依据,为研制工程应用的PDE提供理论和实践基础。      

煤油气动阀式脉冲爆震发动机爆震波压力特性试验

为研究煤油（C12H24）气动阀式脉冲爆震发动机的爆震波压力特性，通过进气加温和燃油加温，实现了以液态煤油为燃料，以空气为氧化剂，在内径0．1m，长2m的爆震管中产生了连续稳定的爆震波。分析了不同进气温度和小同燃油温度对气动阀出口流场和油雾场的影响，进而研究了不同进气温度和不同燃油温度对爆震波压力特性影响：结果表明，试验选定的双旋流加直流气动阀，当进气温度为373K和燃油温度为363K时，能够形成比较均匀的可爆混气，在爆震管内成功地产生了连续稳定的爆震波，爆震波压力峰值最大。获得进气温度和燃油温度对气动阀式PDE爆震波特性影响，为深入研究以液态煤油为燃料，空气为氧化剂的气动阀式脉冲爆震发动机工作性能提供了依据。     

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。     

爆震波点火器管路传播过程数值模拟

为了进一步研究液体火箭发动机爆震波点火器的工作过程，结合实际试验发动机用爆震波点火器的工作条件，在混合比为3，初始氢氧混气压力为0．1MPa情况下，采用常用的两步显式MacCormak差分格式和有限速率化学反应动力模型，对爆震波点火器管路中爆震波的传播过程进行了数值模拟，研究了爆震波形成后在一维管路中传播特性及性能参数。从数值模拟结果来看，稳定传播的爆震波温度可达3500K，压力达到2MPa，其传播速度可达3430m／s，从爆震波形成到其传播到2m距离的出口，用时不到0．6ms。并与试验结果进行了对比分析，数值模拟结果和试验结果符合很好，为爆震波点火器的工程设计提供了理论依据。     

圆环形燃烧室两相混气旋转爆震波传播过程实验研究

为分析不同燃烧室结构和来流工况对两相混气旋转爆震波传播过程的影响,在圆环形燃烧室内进行了实验研究。获得了不同来流总温T、燃烧室出口堵塞比β以及混气当量比φ对旋转爆震波传播特性的影响,并对典型工况下圆环形燃烧室内旋转爆震波传播频率和切向热声耦合燃烧固有频率进行了计算。结果表明,燃烧室出口堵塞比变小时有利于旋转爆震波的稳定;旋转爆震波传播速度随来流总温和当量比的提高而增加;在两相混气中获得了一种传播速度大幅低于C-J理论值的低速爆震波。     

两种前体压缩方式对斜爆震燃烧影响的数值研究

为推动工程应用,探究斜爆震发动机前体压缩程度对斜爆震燃烧的影响,本文建立了两道等强激波和斜激波-等熵两种前体压缩简化模型,通过数值模拟对比了飞行马赫数8~10条件下,两种压缩方式对斜爆震波结构以及斜爆震波总压损失的影响。结果表明,前体压缩方式的差异会引起斜爆震波起爆区结构以及起爆位置的变化,且随着飞行马赫数降低,压缩方式对起爆区结构影响减小,对起爆位置影响增大。两道等强激波的前体压缩方式对应的斜爆震燃烧过程总压损失更小,同时可减小点火起爆距离,有利于缩短燃烧室长度。但综合考虑进气压缩与燃烧过程,斜激波-等熵的前体压缩方式对应燃烧室出口气流总压更大。斜爆震发动机的设计需要综合考虑前体压缩与斜爆震燃烧损失以实现发动机总体性能最优。     

爆震室压力测量可靠性试验

为了提高脉冲爆震发动机(Pulse Detonation Engine,简称PDE)内爆震波压力测量值的可靠性,解决多循环PDE爆震室压力测量问题.通过动态压力测试系统,对单次爆震和多循环PDE爆震室内的压力进行测量.单循环爆震波压力测量的比较性试验研究发现:当主爆震室的旁支套管长度小于100mm左右,可以测到爆震波的峰值;当套管长度大于150mm左右时,火焰不能在旁支小管内传播,传感器测到的只是爆震波后的平台的压力.当通过冷却套管来测量多循环PDE爆震室压力时,采用较短长度的套管,可以得到爆震波压力.研究结果解决了多循环爆震波的压力测量问题.