氧化剂喷注面积对旋转爆震波传播特性影响的实验研究

为了研究氧化剂喷注面积对旋转爆震波传播特性的影响,验证不同氧化剂喷注面积下旋转爆震发动机起爆的可行性,通过改变氧化剂喷注面积开展了大量的实验研究。发动机采用环缝-喷孔式喷注结构,燃料为H_2,氧化剂为空气。实验结果表明,旋转爆震发动机可以在较宽范围的氧化剂喷注面积下稳定工作;氧化剂喷注面积与燃烧室横截面积比为0.13的条件下获得了最佳实验结果,爆震波传播频率为3.97~4.29kHz,传播速度为1610.76~1832.47m/s,峰值压力脉动强度均小于30%。对比了不同当量比条件下爆震波的传播过程,结果表明,在面积比大于0.27的情况下,提高燃料和氧化物的当量比可获得稳定的爆震波。分析轴向位置上爆震波峰值压力的变化,结果表明氧化剂喷注面积的变化影响轴向位置上爆震波压力的分布。     

爆震波与非预混燃料射流相互作用的研究

为研究旋转爆震发动机（Rotating Detonation Engine, RDE）中燃料/氧化剂喷射和掺混对爆震波的影响及非预混环境下的爆震波的快速起爆与稳定传播,本文采用线性模型爆震发动机（Linear Model Detonation Engine,LMDE）来简化实际燃料喷射与爆震波相互作用的物理问题。通过RNG K-?湍流模型结合7步7组分氢气/空气机理的三维非定常反应流模拟方法,探究真实喷射条件下爆震波与混气相互作用、爆震波衰减及自持的特性。结果表明：氢气/空气的掺混均匀度至少要达到0.6才能使爆震波在非预混环境下传播;氢气孔与空气缝的入口压比需要满足爆震波进入燃烧室时,非均匀混气区恰好集中在氢气孔附近,燃料完全释放能量维持爆震波传播。     

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。     

点火方式对空桶型旋转爆震燃烧室起爆特性的影响

为了揭示空桶型旋转爆震燃烧室内爆震波的建立过程及工作特性，分别采用火花塞点火、垂直预爆震管点火和切向预爆震管点火，实验研究了不同点火方式下的爆震波起爆和稳定传播特性。喷注器采用环缝-喷孔对撞式设计，燃料和氧化剂分别为乙烯和富氧空气。结果表明，在空桶型旋转爆震燃烧室中，3种点火方式均可成功起爆并获得稳定传播的爆震波，点火方式对旋转爆震波的传播方向影响较小；与火花塞点火相比，垂直预爆震管点火和切向预爆震管点火均能拓宽旋转爆震燃烧室的稳定工作范围；在氧化剂供给流量和当量比相同的条件下，点火方式的改变并未影响旋转爆震波的传播速度大小；使用预爆震管点火时，旋转爆震波的建立时间较火花塞点火短，且呈现出更小的离散性。     

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。     

旋转爆震三维非预混混合特性及流场结构研究

为深入研究旋转爆震三维非预混流场结构,基于7组分8步反应的化学反应模型,开展了H2/Air旋转爆震流场的数值模拟研究,计算中考虑了黏性的影响。计算结果表明:该喷注结构在冷流流场中混合效果较好,能够在较短距离内实现燃料和氧化剂的充分混合,但起爆后燃烧室内形成的高压环境使得外壁面附近来流可燃气难以到达,可燃气体层主要靠近燃烧室内壁面;旋转爆震波沿燃烧室内壁面周向传播,爆震波后沿径向和周向方向形成"双诱导激波"结构,并进一步导致爆震波后出现高温区和高压区"不吻合"的流场现象;在燃烧室入口截面,爆震波后形成"三诱导激波"结构,诱导激波通过空气环缝向上游传播并对来流燃料和氧化剂的喷注产生影响。     

掺混空气对旋转爆震主燃烧室起爆性能对比试验

为以工程化应用为基础研究旋转爆震燃烧室在涡轮发动机条件下旋转爆震波的传播特性，模拟某离心式涡喷发动机的 工况，以常温煤油和496 K高温空气作为燃料和氧化剂，对基于外径为220 mm、环形宽度为40 mm的环形燃烧室和相同大小的含 掺混结构的环形燃烧室开展对比试验。结果表明：在不同当量比工况下，观察到非稳定爆震模态、稳定双波旋转爆震模态和稳定3 波旋转爆震模态。在封闭燃烧室中，当量比较低（低于0.8）或较高（高于1.1）时无法维持爆震波的稳定传播，呈现非稳定爆震模 态；在当量比接近1时，呈现稳定双波旋转爆震模态。随着掺混结构的引入，燃烧室的工作范围得到拓宽（当量比为0.8～1.2），当 当量比达到1.1时呈现稳定3波旋转爆震模态。在对应的工况范围内，掺混空气能显著提高旋转爆震波的传播稳定性。     

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。     

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

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,对基于燃烧室外径均为100mm的无内柱燃烧室和燃烧室宽度分别为32,26,20mm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154g/s时,可以得到稳定旋转爆震模态,旋转爆震波峰值压力超过0.7MPa,平均传播速度为1750m/s。对于环形燃烧室,旋转爆震波的传播速度仅为1245~1465m/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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

燃烧室轴向和周向长度对气液两相旋转爆轰特性的影响

为了研究旋转爆轰发动机燃烧室轴向和周向长度对气液两相旋转爆轰特性的影响,采用守恒元和求解元(CE/SE)方法对带化学反应的汽油/富氧空气两相旋转爆轰理论模型进行求解,获得了气液两相旋转爆轰流场结构,并分析了燃烧室轴向和周向长度对燃烧室流场、爆轰波传播特性以及发动机推力性能的影响。计算结果表明:轴向长度对燃烧室上游流场影响甚小,却对下游流场参数影响较显著。随着轴向长度增加,燃烧室出口压力、温度、密度以及周向速度均降低,轴向速度则逐渐增大,同时发动机平均推力密度和燃料比冲先增大后减小。当周向长度过短,燃烧室内难以形成自持传播的爆轰波,随着周向长度增加,上游爆轰波强度增加,对应的流场参数均有所增大,但发动机推力性能略有所降低。     

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。     

H2/Air连续旋转爆震波的起爆及传播过程试验

在环缝-喷孔对撞式喷注模型发动机上,采用H2/O2热射流切向喷注的起爆方式,进行了H2/Air组合的连续旋转爆震试验,试验成功起爆并实现了爆震波的持续旋转传播。切向喷注的热射流并没有直接诱导形成旋转爆震波,从点火到形成稳定传播的旋转爆震波之间存在时间间隔。对高频信号的时频分析结果表明,在该试验工况下,旋转爆震波的传播过程非常稳定,其传播频率为5.5～5.95 kHz,平均传播频率为5.75 kHz,对应的平均传播速度为1716.4m/s,为理论预测值的91.14%。在没有测量高频压力的情况下开展了长程试验,结果表明,连续旋转爆震波也可以在更长的时间范围内稳定工作。     

连续旋转爆震波的瞬时传播特性

开展氢气/空气连续旋转爆震试验,并计算连续旋转爆震波的瞬时传播频率与传播速度,统计其相对标准偏差,并以此作为爆震波瞬时传播过程稳定性的评价标准,研究推进剂流量对连续旋转爆震波瞬时传播特性的影响.结果表明:在当量比为1.0时,空气流量由321g/s增加至505g/s,连续旋转爆震波的平均传播频率由4.60kHz升高至5.33kHz,平均传播速度由1445m/s增加为1674m/s;连续旋转爆震波瞬时传播频率的相对标准偏差则由4.00%减小至1.69%,这表明连续旋转爆震波在较大的推进剂流量下的传播过程更加稳定.      

非预混喷注对旋转爆震发动机影响的数值研究

为了研究真实情况下非预混喷注对旋转爆震发动机工作过程的影响,采用氢氧7组分8步化学反应的基元反应模型,忽略黏性、热传导和扩散等输运效应。对真实情况下燃料(H₂)和氧化剂(Air)分开喷注的旋转爆轰发动机进行三维数值模拟,深入分析了非预混条件下的旋转爆震波流场结构,探讨了燃料喷注方式对发动机性能的影响。计算结果表明:本文方法可有效模拟燃料与氧化剂非预混喷注的旋转爆震波流场。在给定的计算条件下,不同喷注方式发动机的爆震波平均传播速度大约为1640~1840 m/s;平均推力为90~100 N;基于混合物的比冲为820~900 m/s。随着燃料喷注位置的前移,发动机性能明显提高;燃料喷注角度对发动机性能影响较小,随着喷注角度的减小,发动机性能逐渐提高,提高幅度较小;燃料双侧喷注的性能明显优于单侧喷注。旋转爆震发动机的性能与燃料/氧化剂的冷流掺混效果成正比。