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。     

圆盘旋转爆震燃烧室中爆震波传播模态

本文的目的在于通过求解14组分19步CH4/O2反应的欧拉方程去研究燃料喷射温度、压力、燃烧室内外直径比值和燃烧室径向长度对圆盘结构下旋转爆震传播模态的影响。研究表明,只有预混气喷射温度范围为500-900K,喷射压力范围为0.5-3.5MPa的条件下能够在固定燃烧室内形成连续的旋转爆震波。受燃烧室结构影响,旋转爆震波的传播模态分为稳定模态和非稳定模态。整个非稳定传播模态根据爆震波对前周期的干涉又可以分为干涉阶段和不干涉阶段。在不干涉阶段,爆震波传播速度略高于Chapman-Jouguet (CJ)速度;在干涉阶段,爆震波传播速度低于CJ速度且爆震波被间断面分割成两部分。非稳定模态爆震波传播速度小于稳定模态,而爆震波夹角、燃烧室出口面积比则反之。     

燃烧室宽度对煤油旋转爆震波传播模态的影响—“爆震专刊”

为研究基于煤油的旋转爆震波的传播特性,以煤油和含氧量40%的富氧空气作为燃料和氧化剂,基于燃烧室外径均为100 mm的无内柱燃烧室和燃烧室宽度分别为32 mm、26 mm和20 mm的环形燃烧室开展了对比实验。不同氧化剂流量下,共观察到四种燃烧波模态,分别为爆燃模态、准稳定爆震模态、双波对撞模态和稳定旋转爆震模态。无内柱燃烧室中,氧化剂流量较低时无法维持旋转爆震波的稳定传播,出现爆燃模态和准稳定爆震模态;当氧化剂流量超过120 g/s时,可以得到旋转爆震模态,旋转爆震波峰值压力超过0.7 MPa,平均传播速度为1750 m/s。对于环形燃烧室,旋转爆震波的传播速度仅为1245~1465 m/s,明显低于无内柱燃烧室中的传播速度。随环形燃烧室宽度减小,对应旋转爆震波模态的工况范围更窄,传播速度更慢。在本研究对应的工况范围内,增大燃烧室宽度,更有利于基于煤油的旋转爆震波的稳定传播。     

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。     

燃烧室宽度对液态燃料旋转爆轰发动机影响实验研究

为了研究燃烧室宽度对液态燃料旋转爆轰发动机工作特性的影响,搭建了气液两相旋转爆轰实验系统,以汽油/富氧空气为工质,氢气/氧气预爆轰管作为点火装置,在不同燃烧室宽度下开展了一系列实验研究,分析了爆轰波的起爆过程,以及燃烧室宽度对爆轰波传播特性与发动机推力性能的影响。实验结果表明：点火后,燃烧室内需要经过一个爆燃转爆轰过程才能形成自持传播的爆轰波;爆轰波在不同燃烧室宽度下均以双波对撞模态传播,对应的波速分布在850~1025m/s内,随着当量比增加,波速整体呈增加趋势;当燃烧室宽度减小,波速整体有所降低;不同燃烧室宽度下推力性能存在显著差异,其中燃烧室宽度在16.5mm下,发动机的推力和燃料比冲要明显低于11.5mm和9mm的;随着燃烧室宽度减小,内外壁面边界层在流场中的作用更为突出,降低了发动机推力的稳定性。     

旋转爆震发动机液态燃料预爆器设计及爆震燃烧特性研究

为了解决液态燃料旋转爆震发动机点火起爆困难和结构紧凑等问题,进行了以液态航空煤油为燃料的预爆器设计,包括离心/预膜复合燃油雾化喷嘴、点火/传焰凹腔、三枝管预爆室等结构。以液态航空煤油/氧气为工作介质,进行了离心/预膜复合燃油雾化喷嘴雾化特性和预爆器爆震燃烧特性试验研究,获得了离心/预膜复合燃油雾化喷嘴雾化粒径变化规律,以及预爆器内爆震波压力、传播速度等变化规律。研究表明:离心/预膜复合燃油雾化喷嘴的雾化效果随气流流量和油压增加而改善,预爆器接近出口位置(PCB5处)爆震波峰值压力可超过3.80MPa,爆震波传播速度可达1800m/s;随着当量比增加,预爆器内过驱爆震位置提前,有利于缩短预爆器的长度。     

基于OpenFOAM的三维H2/Air连续旋转爆轰流场数值模拟

为进一步研究旋转爆轰流场特征,基于开源计算流体动力学软件OpenFOAM,采用9组分19步的基元化学反应模型,对H2/Air连续旋转爆轰流场进行了三维数值模拟,得到了旋转爆轰波稳定传播时燃烧室内部流场的详细结构,研究了燃烧室头部激波的传播特性,分析了旋转爆轰燃烧室的压力增益性能。结果表明:旋转爆轰波后的第一道反射激波在由燃烧室外壁面向内壁面传播过程中反射激波的高度增加并在靠近内壁面附近与滑移线交汇形成局部高温高压区域;旋转爆轰波在外壁面位置处相位约落后于内壁面0.003rad～0.15rad,其相位差随燃烧室曲率差的增加而增大;燃烧室头部反射激波数目受到曲率差和进气总压的影响,燃烧室曲率差增大,反射激波数目减少,进气总压增大,反射激波数目增多;燃烧室压力增益保持在0.3以上,在进气总压一定的条件下,压力增益随着燃烧室曲率差的增大有增加的趋势。研究结果揭示了三维旋转爆轰流场的精细结构和燃烧室头部激波的传播规律。     

高总温空气与汽油燃料的旋转爆震验证试验

为验证高总温空气来流条件下汽油燃料旋转爆震的可行性,开展了气液两相旋转爆震发动机试验研究。旋转爆震发动机环形燃烧室外径和内径分别为202mm和166mm,长度为155mm。通过空气加热器模拟高总温空气来流环境,汽油和空气采用分开喷注的方式,分别通过高压喷嘴和环缝进入燃烧室。试验采用垂直安装的预爆震管成功起爆了旋转爆震波,并实现了旋转爆震波的连续稳定传播。试验结果表明：当空气质量流量为1110.0g/s,当量比为0.97,空气总温为713K时,旋转爆震波以双波对撞模态在燃烧室内连续传播,爆震波传播频率为1827.31Hz,与高频压力信号经快速傅里叶变换得到的主频一致,爆震波传播速度为1059.6m/s。在空气质量流量为1110.0g/s,当量比为0.84,空气总温为713K的工况下进行了3s的长程试验,验证了以高总温空气为氧化剂、汽油为燃料的旋转爆震发动机长时间连续稳定工作的可行性,获得的旋转爆震波传播频率为1907.5Hz。     

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。     

聚心火焰与诱导激波相互作用及爆燃转爆轰过程

基于带化学反应的二维轴对称Eu ler方程,利用带限制函数的波传播算法,在两端均敞开和一端封闭一端敞开的两种边界情况下,对圆柱型燃烧室中的氢气-空气预混气的聚心燃烧进行了数值模拟,探讨了聚心火焰引发爆轰过程中的波系结构以及火焰的变形。数值结果表明,在两端均敞开的情况下,燃烧诱导的激波在轴心、火焰和壁面之间来回反射,使火焰失稳,加速了火焰的燃烧,但没有转变成爆轰。而在一端封闭的情况下,封闭端反射产生的激波,不断穿越火焰,使火焰严重失稳,加剧了燃烧速度,最终导致爆轰的形成。稳定爆轰阵面的参数与CJ理论计算的结果进行了对比,两者符合的较好。同时,火焰在与激波的作用过程中,形状扭曲变形,对于两端敞开的情况呈对称的扁平头部蘑菇云,而对于一端封闭的情况,则呈封闭端小敞口端大的扁平头部蘑菇云。     

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。     

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。     

煤油/氧气预爆器爆震波特性研究

为了解决液态煤油旋转爆震发动机短距离快速起爆问题,进行了煤油/氧气预爆器方案设计。此方案包括双级轴向旋流和离心喷嘴匹配方案、半圆轴向垂直预爆管和圆管切向预爆管等设计,建立了液态煤油/氧气预爆器爆震波特性试验台。探讨了不同工作时序、当量油气比、预爆管结构等对预爆器爆震燃烧特性的影响。结果表明预爆器产生的爆震波压力达到4.0MPa以上,爆震波传播速度高于1300m/s,液态煤油/氧气最佳当量油气比存在于0.6-0.73之间一点。对比半圆轴向垂直预爆管和圆管切向预爆管,圆管模型爆震波压力明显高于半圆管模型,而传播速度却低于半圆管模型,圆管模型整体存在着前导激波的生成,而半圆管模型却在生成的爆震波后方有明显的压力波动现象     

液态燃料喷注压力对旋转爆轰波影响的实验研究

为了深入研究液态燃料旋转爆轰波传播特性,以汽油为燃料,富氧空气为氧化剂,开展了液态燃料喷注压力对旋转爆轰波传播特性影响的实验研究。使用马尔文粒度仪对不同喷注压力下的雾化流场进行测量,结果表明在距离喷嘴出口各平面上的液滴粒径均满足正态分布;且随着喷注压力的增大,液滴雾化细度不断改善,在距离喷嘴出口60 mm处二次雾化基本完成。在汽油质量流率为96 g/s,当量比为1.3工况下,旋转爆轰波以单波模态传播,传播频率为2494 Hz,平均传播速度为1198 m/s。液态燃料的喷注压力对旋转爆轰波的传播特性具有较大的影响,当喷注压力为0.6 MPa时,由于液滴的雾化粒径较大,无法形成旋转爆轰波。随着喷注压力的增大,液滴雾化细度得到改善,旋转爆轰波可以成功起爆并稳定自持传播,传播速度和平均压力均逐渐增大,传播稳定性也得到改善。     

汽油/空气两相脉冲爆震发动机触发爆震的研究

有效的触发爆震波是脉冲爆震发动机正常工作的关键所在。为了在多循环两相脉冲爆震发动机的缓燃到爆震转变过程中,有效的控制激波反射,成功的触发爆震。通过在爆震室内合理的排放障碍物来促进激波与火焰的相互作用,组织激波反射,适时的触发爆震,从而有效地缩短促发爆震的距离,并最终获得充分发展的爆震波。试验发现爆震管内同样的障碍物在不同的位置起到的作用不同。在直径58 mm,长度1275 mm的汽油/空气PDE爆震管内成功触发频率为50 Hz的爆震。      

富氢燃气旋转爆轰波传播特性实验研究

为研究富氢燃气旋转爆轰波传播特性,利用氢气与氧气预燃烧产生的富氢燃气作为燃料,空气为氧化剂,开展了旋转爆轰实验研究。对富氢燃气旋转爆轰压力变化、时频特性及传播速度等参数进行了分析,研究了不同传播模态下富氢燃气旋转爆轰波传播特性。研究表明：本文实验条件下,富氢燃气与空气旋转爆轰的传播模态主要受当量比影响,当量比高于1.06时呈现单波模态,随着当量比减小,旋转爆轰波呈现单波-双波过渡模态,即同一工况下,单波模态和双波模态交替出现,当量比减小到0.68左右时,基本呈现复杂的双波模态;在270 g/s的空气流量下,当量比增大,旋转爆轰波在环形燃烧室内的传播速度随之提高,但当量比到达临界点以后,传播速度提高不明显;在相同当量比下,当空气流量增大到370 g/s 时,旋转爆轰波的传播速度会进一步提高;空气流量越大,临界点对应的当量比越低,其中270 g/s空气流量对应临界当量比为1.32,370 g/s空气流量对应临界当量比1.16;达到临界当量比以后,传播速度受当量比和空气流量影响不大。     

燃料分配方式对微燃机燃烧室燃烧性能影响

提出了一种喷口位置可变采用燃料多点喷射的干式低排放(DLE)微型燃气轮机燃烧室,为了获得值班级与主燃级之间燃料分配方式对燃烧性能的影响,对该燃烧室在不同分配方式下的燃烧性能进行了实验测试与数值模拟。结果表明:燃料喷口位置改变对污染物排放影响不显著;燃料分配方式的改变对温度场和污染物的生成特性有影响,随着两级燃料分配比例的增大,NOx排放量呈现先减少后增加的趋势,存在一个最佳的燃料分配比例使NOx排放最低;燃烧室内存在明显的中心回流区(PRZ),便于点火及火焰传播;热力型NOx的生成量与温度高于1 950 K的区域大小和最高燃气温度有直接关系。所设计的燃烧室在以天然气为燃料的所有工况下NOx排放都可降低到50 mg/m3以下,达到了低污染燃烧室排放标准(小于50 mg/m3)。     

Acceleration of DDT by non-thermal plasma in a single-trial detonation tube

This paper compares the flame acceleration in single-trial dual-detonation tubes triggered by a spark plug and non-thermal plasma igniter. The low-temperature plasma was generated by an in-house novel AC-driven dielectric barrier discharge igniter, which reduces the power supply requirements and was applied in the quiescent ignition of a single-trial detonation tube. Three different types of detonation mixtures were tested with flame propagation tracked by ion probes and pressure waves recorded by high-frequency pressure transducers. The flame propagation speeds were calculated and compared based on signals from the ion probes. The detonation combustion succeeded in the dual tubes, but the deflagration-to-detonation transition could be significantly accelerated by the plasma for all mixtures, as it was shortened by more than 50% compared to that of the spark plug. The present study provides a suitable technological approach for igniters of PDEs.     

喷嘴间距对贫油熄火特性和流场结构的影响

为深入认识喷嘴间距对燃气轮机燃烧室贫油熄火和气动性能的影响,基于典型的双旋流扩散燃烧喷嘴设计了喷嘴位置连续变化可调的双头部模型燃烧室。实验测量了不同初始当量比条件下喷嘴间的最大传焰距离,分析了火焰传播的动态过程;此外还研究了喷嘴间距对贫油熄火当量比、反应流场和方均根速度场的影响。实验结果表明:当量比每增加0.1,无量纲最大联焰间距增大0.2左右,并且喷嘴间的联焰过程大致可分为四个阶段;单喷嘴的贫油熄火当量比大于任意喷嘴间距下双喷嘴的贫油熄火当量比;随着喷嘴间距的减小,贫油熄火当量比先减小后增大;另外,喷嘴间距减小导致射流合并,气流径向速度抵消变小,中心射流速度峰值增大以及回流区尺寸缩小;随着喷嘴彼此靠近,喷嘴间的方均根速度变大,分布区域变广。      

预爆管式脉冲爆震原型机试验研究

为了实现多循环吸气式脉冲爆震发动机（PDE）在较短距离内缓燃向爆震的转捩,降低主爆管通过障碍物触发爆震的内部阻力损失,设计了预爆管和主爆管以同种混气（汽油/空气）为工作介质的两相PDE原型机,试验研究了爆震燃烧过程。研究表明：当预爆管出口扩张角度为45°时,可以实现爆震波在主爆管内向衍射面上、下游传播;设计的预爆管式PDE原型机可以实现最高频率为66.7 Hz的稳定间歇工作。