基于离子电流的爆震波压力非线性模型

为了实现爆震波压力的软测量,依据碳氢焰离子形成原理及爆震波高速传播的特点,在分析爆震波离子形成机理的基础上,根据爆震波离子电流与压力信号的相似性,提出基于离子电流的爆震波压力非线性模型建模思路。采用RBF网络建立爆震波非线性模型,并给出网络结构、样本选取原则和预处理方法。开展了单次脉冲爆震试验,利用试验数据建立该压力非线性模型,并通过试验数据和模型输出的对比校核模型的有效性和准确性。     

爆震燃烧的特性研究

研究了爆震管中爆震燃烧的压力特性及爆燃到爆震转捩 (DDT)特性。在乙炔与氧气的预混气中 ,通过高频响压力传感器及自行研制的离子探针 ,测量了不同工况下爆震燃烧的压力与火焰传播速度的变化历程 ,获得了爆震波峰值压力、波后压力及 DDT距离随混气初始压力 (2×10 4 Pa～ 1× 10 5Pa)、混气当量比 (0 .3～ 1.0 )及混气浓度 (6 0 %～ 10 0 % )的变化规律。试验结果表明 :降低预混气的压力、混气当量比及浓度会使爆震波的峰值压力、波后压力不同程度的下降 ,DDT距离增大 ,其中 DDT距离对混气浓度最敏感     

缓燃向爆震转捩过程中火焰和压力波发展规律试验

为了解缓燃向爆震转捩(DDT)过程,在60mm×60mm,长2m的方形爆震管内,利用高速摄影和高频压力传感器试验研究了4种余气系数下氢气/空气混合气燃烧时的火焰和压力波演变规律.结果表明:缓燃向爆震转捩经历了缓燃、爆燃、在壁面产生热点、形成爆震中心和稳定爆震5个阶段,缓燃、爆燃和爆震的火焰传播速度分别为0～15m/s,500～1000m/s和1800～2000m/s.压力传感器获得的时序图和对应峰值压力的变化规律也验证了上述过程:在压力传感器测试区间(850～1200mm)内,压力峰值从1.5MPa先跃升到7MPa上下,然后下降稳定在2～3MPa.据压力时序图算得的爆震波传播速度与高速摄影获得的火焰传播速度一致.      

测量爆燃到爆震转捩距离的离子探针技术研究

为了测量爆震管中从爆燃到爆震转捩距离,研制了一套基于对比电路的离子探针系统。通过该系统测量爆震管中火焰传播速度的轴向分布,确定了爆燃到爆震的转捩距离。系统结构简单,造价低廉,可用于高温环境下测量。运用该系统测量的乙炔与氧气混合气从爆燃到爆震转捩的距离,其结果与采用高频响的压力传感器系统的测量结果一致。      

旋转爆震发动机火焰与压力波传播特性

为研究旋转爆震发动机(Rotating Detonation Engine,RDE)工作过程中火焰与压力波的传播特性,在采用非预混喷注方式的H2/Air发动机模型上进行实验,采用的测量装置包括离子探针、高频压力传感器和高速摄影。结合离子信号曲线、压力曲线和高速摄影图片,分析了从点火到形成稳定旋转爆震波的过程,从测量结果中观察到了燃烧波的对撞现象及火焰与压力波的发展过程;在RDE的稳定工作过程中,火焰与压力波耦合,通过分析离子信号曲线,发现离燃烧室入口较近的点受新鲜反应物喷注的影响较大,并解释了实验所得爆震波的速度亏损和压力峰值相比于理论C-J(Chapman-Jouguet)值偏低的现象;在RDE熄火过程中也观察到了压力波和火焰的耦合,但离子信号峰值、压力峰值及压力波瞬时传播速度持续下降,一段时间后,发动机熄火。这些研究结论对理解RDE中旋转爆震波的起始和传播机理具有一定的参考价值。     

用烟迹法研究爆燃向爆震的转捩

为能直观了解由爆燃到爆震的转捩过程(简称DDT)中激波的变化过程,在60mm×60mm×2000mm方爆震管的侧面设置了60mm×1380mm的窗口来获得爆震波的烟迹图,分别用乙炔(C₂H₂)和空气、氢气(H₂)和空气混合物进行了单次爆震性能研究.利用安装在同一截面上的压力传感器与离子探针同时测得DDT位置段爆震管内的压力分布、火焰传播速度和方向.试验结果表明:①烟迹法是研究DDT更为直接和有效的手段之一;②在本试验条件下,观察到DDT过程中过爆只会出现一次,但从过爆衰减至正常C-J爆震波的过程中存在多次多点爆炸的迹象;③初始条件相同的情况下,乙炔的胞格尺寸小于氢气的胞格尺寸.      

多管脉冲爆震发动机压力反传特性试验与数值研究

为了研究多管脉冲爆震发动机的压力反传特性,采用数值模拟和试验相结合的方法对四管爆震室的压力反传特性进行研究,测量了四管爆震室同时点火和分时点火这两种工作模式下的压力反传规律,利用数值模拟对四管爆震室共用进气道进行研究,分析了共用进气道长度以及在共用进气道内加装分流板对压力反传的影响。试验结果表明,四管爆震室同时工作时,共用进气道产生一道很强的压力扰动波,其峰值压力接近0.12MPa;四管爆震室分时工作时,共用进气道在一个循环内出现四次压力扰动,但扰动波的峰值压力较小。数值模拟的结果表明,在两种工作模式下,爆震室产生的反传压力使发动机入口产生高速倒流,四管分时工作时倒流的速度较小。随着共用进气道的长度增大,反传压力的峰值降低,但发动机入口处仍然存在倒流现象,倒流的速度随着共用进气道的长度增大而减小。共用进气道内加装分流板对反传压力的峰值并没有削弱作用。     

两相多循环爆震波特性研究

为了研究两相爆震燃烧的特性,在多循环自吸式脉冲爆震原型机上进行试验研究.运用动态压力传感器和离子探针并行采集手段进行试验,结果表明:爆震波传播速度在1 300m/s左右;爆震波的前导激波与反应区之间的距离在30mm左右,两相爆震的主要反应区厚度约为80mm左右,且反应区后存在液滴的燃烧延迟;激波动态压力信号与反应区的离子信号的并行采集可以作为判断是否产生爆震的手段.     

光电池测光器在爆震波测量中的应用

爆震管内火焰的结构非常复杂且传播速度快,需要高精度、高响应时间的测试工具.本文在单爆震试验中采用光电池测光器和离子探针测量燃烧波.研究中以高频响压力传感器为参考依据,通过测量同一截面上压力传感器、光电池测光器和离子探针之间的触发顺序,以及光电池测光器与离子探针信号的持续时间,来验证光电池测光器在爆震波测量中的可行性与精度.结果表明:光电池测光器比离子探针更适合测量爆震管内火焰传播速度.      

丙烷爆震特性的试验

为了解丙烷的爆震特性,在60 mm×60 mm×2 000 mm的方爆震管内,分别用空气、纯氧以及它们的混合物作为氧化剂进行了单次爆震性能的试验研究.利用安装在同一截面上的压力传感器与离子探针同时测得缓燃-爆燃转捩(DDT)位置处爆震管内的压力、火焰传播速度和方向.获得了丙烷的起爆性能和DDT特性、压力波与火焰的传播规律.试验结果表明:①在本试验管道内利用空气作为氧化剂无法形成爆震波,而丙烷和纯氧混合物的DDT距离则很短;②在化学恰当比条件下DDT的距离最短,但随着氮气含量的增加DDT距离会增长;③DDT过程中压力波和火焰具有相近的变化趋势.      

环缝宽度对两相旋转爆轰波压力与频率特性影响实验研究

为了研究空气喷注环缝宽度对两相旋转爆轰波压力与频率特性的影响,通过改变环缝宽度与当量比开展了大量实验研究。旋转爆轰发动机环形燃烧室外径、内径以及长度分别为204mm、166mm和155mm。汽油和高温空气采用高压雾化喷嘴与环缝对撞喷注的方式进行混合,以此提高推进剂的掺混效果与活性,发动机采用预爆轰管作为点火装置。实验通过燃烧室内测得的高频动态压力信号,对两相旋转爆轰波的传播稳定性、压力特性以及频率特性进行了详细分析。实验结果表明:在不同环缝宽度下均实现了高总温空气与汽油的两相旋转爆轰。当环缝宽度为3mm和4mm,旋转爆轰波平均峰值压力与传播频率均随着当量比增大而增大;增加环缝宽度至6mm,爆轰波传播稳定性变差,平均峰值压力与传播频率随当量比先增大后减小。当环缝宽度为4mm,获得的旋转爆轰波平均峰值压力最高,压力脉动强度最小,爆轰波传播稳定性最强。在一定工况范围内,增加当量比可有效降低爆轰波峰值压力脉动强度。此外,随着空气环缝宽度的增加,爆轰波传播频率整体降低。当环缝宽度为3mm,当量比为1.19时,爆轰波以单波模态在环形燃烧室内连续旋转传播,平均传播速度约为1176.6m/s,爆轰波传播速度存在严重亏损。     

多循环脉冲爆震发动机爆震室内部压力分布实验研究

利用基于多循环吸气式脉冲爆震发动机的实验获得了沿爆震室轴向9个位置的实时压力数据,经过对数据进行时域和频域的分析处理后,利用MATLAB软件的GRIDDATA函数拟合出了6个工作频率下某个循环时爆震室内压力随轴向位置及时间变化的三维图形。通过对拟合后的数据从不同角度进行分析,发现采用爆燃向爆震转捩（DDT）方式起爆会在爆震波形成前生成一个局部爆轰区、爆震波形成后平均速度维持在1000m/s左右,且峰值压力升高、随机性增大。该实验的研究结果为爆震室的结构强度研究提供了依据。     

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.      

旋转爆震发动机喷管非定常流动特性的数值模拟研究

为分析旋转爆震喷管内非定常流动特性,本文基于特征线方法和旋转爆震燃烧室出口时均参数设计了一种塞式喷管模型,通过改变塞锥式喷管的进出口压比（压比分别为15、30和45）,分析了喷管内非定常流场结构与喷管工作性能之间的相互关系,并探究了喷管进出口压比变化对喷管工作性能的影响。研究结果表明：旋转爆震燃烧室下游斜激波进入喷管后,在喷管内形成一道绕喷管壁面螺旋分布的激波,激波结构主要由波前气流角和激波前气流速度决定;爆震喷管局部工作状态依据相对螺旋激波位置分别存在自由膨胀状态、欠膨胀状态、欠膨胀与过膨胀过渡状态以及过膨胀状态四种情况,喷管处于第二种工作状态（欠膨胀）时,喷管内存在激波,并随着激波的传播不断增强,在第四种工作状态达到最大（喷管处于过膨胀状态）,且喷管在第二到第四种工作状态内工作性能变差;在低压比（压比15）工作条件下喷管性能优于高压比（压比30）,其最佳推力和燃料比冲分别为992.05N和1769.52s,因而旋转爆震喷管设计应选择较高的进出口压比作为设计点,使旋转爆震喷管更多的工作在低压比工作状态,以提高旋转爆震喷管工作效率。     

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%。     

环形火焰引发爆震的数值研究

采用改进的适于多组分反应流的波传播算法,对直管道中甲烷．空气预混气的爆震引发过程进行数值研究,考虑了两种不同构型的初始环形火焰对引发爆震的影响。对这两种构型下爆震引发过程中的压力场、温度场、反应放热率以及组分浓度进行了计算,由此探讨了“热点”形成机制及其对爆震引发的作用。结果表明,火焰发展产生的燃烧压缩波在管壁或管轴心发生汇聚、碰撞所形成的复杂波系与火焰相互作用,导致火焰前锋与压缩波之间的局部区域反应剧烈,反应放热率明显增加,从而促使热点形成。形成的热点迅速放大成为过驱爆震波,并逐渐衰减为稳定爆震波。稳定爆震波阵面参数与CJ理论结果进行了对比,两者符合得较好。     

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。      

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.     

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.