瞬态等离子体点火和火花塞点火起爆过程的对比研究

为了研究瞬态等离子体点火起爆脉冲爆震发动机的可行性,设计了适用于脉冲爆震发动机的瞬态等离子体点火器,并对瞬态等离子体点火和火花塞点火的放电过程进行了对比,瞬态等离子体点火器具有更大的点火面积。在此基础上,以甲烷气为燃料,对瞬态等离子体点火和火花塞点火的爆震起爆过程进行了二维数值模拟研究,数值模拟结果表明,采用等离子体点火起爆过程引发爆震所需的爆燃到爆震时间和距离比火花塞点火起爆过程缩短了64%和22%。      

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.     

点火能量对脉冲爆震发动机性能的影响

针对以汽油-空气为推进剂的吸气式脉冲爆震发动机,研究了点火能量及工作频率对发动机点火-起爆时间和发动机推进性能的影响。结果显示,随着点火能量的提高,点火-起爆时间逐渐减小,脉冲爆震发动机平均推力逐渐增加。随着发动机工作频率的提高,点火-起爆时间也逐渐减小,发动机稳定工作的最佳油气当量比减小,发动机平均推力接近线性增加;但是点火能量对发动机点火-起爆时间的影响随着工作频率的提高而有所降低。     

交流驱动低温等离子体点火触发爆震可行性研究

为了克服交流驱动介质阻挡放电产生连续低温等离子体应用于脉冲爆震发动机点火的困难,通过频率控制,成功设计了按一定频率周期性地产生低温等离子体,放电参数可调,单次放电时间为0.1~1000ms频率为0.1~100Hz。等离子体点火器采用同轴电极结构,单次放电时间0.5ms实现了可燃混气点火,成功触发爆震,这些结果表明采用交流驱动低温等离子体点火触发爆震是可行的。     

点火能量等因素对脉冲爆震室压的影响实验

以汽油／空气两相混气为可爆混合物，采用汽油机点火和半导体高能点火系统，实验研究了不同点火频率对脉冲爆震室中不同位置脉冲爆震波压力的影响，结果发现，充满度大，产生的紊流强度大，有利于爆震波的形成；在大多数情况下，用低能量（50mJ）的点火系统点火时，点火频率大于实际产生的爆震频率；用高能（IJ）点火系统时，可缩短烯向爆震转变（DDT）的距离，易产生爆震，所得爆震波的峰值压力明显增大，所得结果可为脉冲爆震发动机的设计、爆震点火系统选型提供重要参考。     

等离子体点火技术在脉冲爆震发动机中的应用研究现状

等离子体点火技术是航空航天动力领域研究前沿。本文概括了等离子体点火研究背景和基本原理,总结了国内外等离子体点火技术在脉冲爆震发动机中的应用研究现状,指出脉冲爆震发动机中利用等离子体点火具有诸多优势,如点火能量大、能有效缩短点火延迟时间、提高DDT特性等。在此基础上,本文分析了应用于脉冲爆震发动机的等离子体点火驱动电源、等离子体点火器以及两种典型等离子体点火方案。最后针对等离子体点火技术在脉冲爆震发动机中的应用研究现状,对其发展方向进行了展望。     

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%.      

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.     

两阶段脉冲爆震发动机谐振腔内混气成分模拟

两阶段脉冲爆震发动机是一种利用激波在部分反应的混气中触发高频爆震的新型脉冲爆震发动机,本文利用数值模拟的方法重点研究谐振腔内的混气成分及其分布规律,当量比为1时,混气成分以CO2、H2O为主,谐振腔内不能继续燃烧;在当量比为2.5~3时,燃烧处于富油状态,这样会产生较多的CH轻分子化合物,此时的燃烧产物能够在谐振腔内燃烧,如果触发激波强度足够大的话,也一定能够触发爆震波。研究结果对深入理解与掌握两阶段脉冲爆震发动机概念及工作过程提供了理论依据。     

两相脉冲爆震发动机模型试验研究

为了探索气－液两相脉冲爆震发动机模型内特征参数对产生爆震波的影响规律，系统地测试了以汽油为燃料、以空气为氧化剂的气－液两相脉冲爆震发动机模型在不同点火频率及不同余气系数下爆震波的峰值压力以及平均爆震波速，并对其变化进行了分析。通过分析实验结果发现，当余气系数σ增大时，爆震波发动机性能下降，在爆震室长度一定时，点火频率等于脉冲爆震频率。     

脉冲爆震火箭发动机喷管构型数值研究

利用准1维模型对带喷管和不带喷管脉冲爆震火箭发动机(PDRE)模型的工作过程进行了数值仿真,研究了喷管构型对单次爆震过程流动以及排气性能的影响。结果表明,带有收敛扩张喷管和收敛喷管PDRE的内部流场比不带喷管和带扩张喷管PDRE的更为复杂。在爆震管完全填充的条件下,各种构型的喷管都能使PDRE性能增益,而收敛喷管使PDRE性能增益最大。但是,带收敛喷管PDRE的比冲仍远低于热力循环理论值,因而优化喷管设计具有进一步提高比冲的潜力。     

Operation of a Rotary-valved Pulse Detonation Rocket Engine Utilizing Liquid-kerosene and Oxygen

The pulse detonation rocket engine (PDRE) requires periodic supply of oxidizer, fuel and purge gas. A rotary-valve assembly is fabricated to control the periodic supply in this research. Oxygen and liquid aviation kerosene are used as oxidizer and fuel respectively. An ordinary automobile spark plug, with ignition energy as low as 50 mJ, is used to initiate combustion. Steady operation of the PDRE is achieved with operating frequency ranging from 1 Hz to 10 Hz. Experimentally measured pressure is lower than theoretical value by 13% at 1 Hz and 37% at 10 Hz, and there also exists a velocity deficit at different operating frequencies. Both of these two phenomena are believed mainly due to droplet size which depends on atomization and vaporiza-tion of liquid fuel.     

活塞发动机高空最小点火能量计算及试验

根据原型机结构,应用AVL BOOST建立了航空活塞式发动机的一维仿真模型,通过地面特性仿真计算与试验研究,验证了发动机仿真模型的可行性和正确性;在深入分析可燃混合气燃烧机理基础上,建立了发动机最小点火能量计算数学模型;在此基础上,采用AVL BOOST与MATLAB联合仿真的方法,计算了发动机在不同高空、不同空燃比稳定运行工况下的最小点火能量,得出不同高空最小点火能量MAP图,并进行了试验验证,结果表明,所建立的最小点火能量的仿真计算模型是正确可行的,能够满足后续性能预测与研究的要求.      

意外点火时燃气排导系统流场仿真分析

根据舰载垂直发射系统的结构特点,对其物理模型进行了简化,并通过采用Fluent软件求解三维、雷诺平均N-S方程的方法,利用k-ε二方程模型,对导弹意外点火情况下垂直发射装置燃气排导系统内的压强分布特性进行了模拟分析,尤其是对当排气盖部分被冲破瞬间以及排气盖盖体被冲破1块、2块和3块这几种情况下的排导系统内部的压强分布特性进行了模拟计算。通过数值模拟,得到了在导弹意外点火情况下,燃气排导系统内部不同位置的压强分布规律,并给出了一些特性曲线,对垂直发射装置的机械强度设计有很大的参考价值。     

Experimental Investigation on Performance of Pulse Detonation Rocket Engine Model

The PDRE test model used in these experiments utilized kerosene as the fuel, oxygen as oxidizer, and nitrogen as purge gas. The solenoid valves were employed to control intermittent supplies of kerosene, oxygen and purge gas. PDRE test model was 50 mm in inner diameter by 1.2 m long. The DDT （deflagration to detonation transition） enhancement device Shchelkin spiral was used in the test model. The effects of detonation frequency on its time-averaged thrust and specific impulse were experimentally investigated. The obtained results showes that the time-averaged thrust of PDRE test model was approximately proportional to the detonation frequency. For the detonation frequency 20 Hz, the time-averaged thrust was around 107 N, and the specific impulse was around 125 s. The nozzle experiments were conducted using PDRE test model with three traditional nozzles. The experimental results obtained demonstrated that all of those nozzles could augment the thrust and specific impulse. Among those three nozzles, the convergent nozzle had the largest increased augmentation, which was approximately 18%, under the specific condition of the experiment.     

脉冲爆震火箭发动机和小推力液体火箭发动机的性能对比分析

为了了解脉冲爆震火箭发动机的性能优势,对比了脉冲爆震火箭发动机和小推力液体火箭发动机的推力和比冲,其中脉冲爆震火箭发动机的性能计算采用等容循环计算模型.结果表明:真空状态下,随燃烧室进口温度的升高,比冲增加不大;在推进剂和发动机结构尺寸相同的情况下,脉冲爆震火箭发动机产生的推力比小推力液体火箭发动机的多3.0倍至6.8倍,但比冲相当.     

变截面脉冲爆震火箭发动机实验研究

在8Hz频率下,以煤油为燃料,氧气为氧化剂,当量比为1．0的条件下,进行了变截面脉冲爆震火箭发动机的实验研究,其中包括等截面发动机,扩张型发动机,收敛型发动机,扩张一收敛型以及收敛一扩张型发动机。总结出了发动机横截面积变化影响爆震波传播的一些规律,得到了横截面积变化对发动机平均推力的影响。     

基于最大似然估计的点火概率曲线计算模型取点方法

最佳点火能量、点火位置等关键信息可通过绘制点火概率曲线判定概率函数以提高点火成功概率。完成传统点火概率曲线的绘制需要至少300次的点火事件，以求得更加复杂的点火概率模型甚至需要更多的实验次数才能保证曲线精度。受制于点火器寿命，依据大数定律绘制点火概率曲线所需的多点数据难以保证，因此迫切需要开发一种在减少实验次数的前提下保证点火概率曲线精度的模型。本文拓展了一种点火概率计算模型，针对不同的取点方式，通过随机二项分布求得概率函数中似然函数的未知参数，从而拟合空间位置点火概率曲线和能量点火概率曲线，结合均方差评估拟合程度选取最优取点方法。研究表明，采用最优取点方法拟合的能量-点火概率曲线可以将均方差降低至0.02左右，空间位置点火概率曲线均方差降至0.04。研究表明所选取的最优取点方法可有效指导实验工况选取，并绘制出可信点火概率曲线。同等置信度下，三种点火概率曲线的实验次数均减少50%以上，实现大幅减少实验次数的目的。     

Research on windmill starting characteristics of MTE-D micro turbine engine

Micro turbine engine (MTE) is an important kind of propulsion system for miniature unmanned aircraft or missiles, because of its better high-speed performance (than propeller propulsion) and higher propulsion efficiency (obviously than rockets). Windmill start is a common air-starting mode used in micro turbine engine. The windmill starting characteristics are important to the practical use of micro turbine engine. In this paper, the windmill starting characteristics research for a 12 cm diameter (MTE-D) micro turbine engine is carried out by experiment and numerical simulation. The characteristic of rotor mechanical losses at low-speed condition is stud- ied, and the engine common working line of windmill starting process is obtained. Based on the engine windmill characteristics, the propane ignition characteristics under different inflow conditions are researched, and the envelope of propane ignition and propane flameout is determined. The experimental research of fuel supply and ignition characteristics is completed, and the envelope of fuel supply and ignition is obtained. The windmill stage, propane ignition stage, fuel ignition stage and acceleration process from idling-speed to 80% full speed of MTE-D micro turbine engine is optimized, and the optimization windmill starting parameters are collected. The successful wind-mill starting experiment under this condition with engine speed up to 80% full speed indicates that these starting parameters are reasonable. All the starting parameters of MTE-D micro turbine engine obtained in this work are dimensionless parameters, and the conclusions obtained in this study have some reference to other micro turbine engines with the similar structural form and starting process.     

脉冲爆震火箭发动机的原理性试验

阐述了脉冲爆震火箭发动机(PDRE)性能特点、结构和工作过程。采用航空煤油为燃料,氧气和压缩空气为氧化剂,分别进行了两相脉冲爆震火箭发动机原理性试验,所测得的爆震波压力接近充分发展的理想爆震波压力,说明采用煤油作为脉冲爆震火箭发动机的燃料是可行的。