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。     

旋转爆震发动机中爆震波不稳定传播特性实验研究

在内径为60mm,外径为70mm的旋转爆震发动机实验件上,进行了以氢气/空气为推进剂的旋转爆震实验,以研究爆震波传播过程中的不稳定现象。实验中采用预爆管切向入射的方式起爆旋转爆震波,用高频动态压力传感器记录爆震波压力,用高速摄像机拍摄爆震波在环形燃烧室内的传播现象。在稳定工况下,爆震波传播速度达到1680.6m/s(为理论值的83.9%),工作频率达到7642Hz;在小流量工况下,爆震波的传播速度表现出很强的不稳定性,能从790.1m/s(理论值的39.4%)变化至1533.9m/s(理论值的76.6%)。实验发现了旋转爆震发动机的点火起爆过程中存在如下不稳定现象:爆震波自发改变传播方向,爆震波自发由一个变成两个,两个爆震波相互撞击。在实验中,还发现:不带喉部时,旋转爆震发动机中爆震波的传播方向具有随机性;带喉部时,爆震波的传播方向呈现出规律性。出现上述"不稳性"现象的可能原因是:点火起爆阶段,初始流场混乱,湍流度较大,爆震波的形成过程容易受到流场扰动的随机性干扰。     

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。     

圆盘结构下旋转爆震波的二维数值研究

为揭示圆盘形燃烧室内旋转爆震波的传播特性,以2H_2+O_2+3.76N_2为反应混合物,开展该结构下的二维数值研究。实现了旋转爆震波的成功起爆并得到了两种稳定的流场结构;详细分析了两种流场的特点,以及不同直径处爆震波参数及出口马赫数的变化规律。结果表明,旋转爆震波在壁面形成的反射激波对流场中的温度、压力分布以及流线都产生影响;随着直径的不断减小,旋转爆震波压力、温度以及传播速度都不断减小;流场稳定后,出口马赫数随时间的变化趋势与压力趋势相符,呈现"双波峰"特征。喷注总压为0.4MPa时,喷注入口的阻塞比为21%,超声速流动占整个出口流动的52.17%,出口流动的平均马赫数为0.98;当喷注总压降为0.2MPa时,入口阻塞比为20%,超声速流动占21.99%,出口流动的平均马赫数为0.95。     

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。     

旋转爆震发动机数值研究

采用9组分19步的基元反应模型,忽略黏性、热传导和扩散等输运效应,对以2H2+O2+4N2为反应混合物的旋转爆震发动机进行了二维模拟。采用分段填充方法起爆旋转爆震波,研究结果表明,分段填充方法可以有效的形成沿同一方向传播的爆震波;详细分析了内部流场结构,旋转爆震波会使流场呈现周期性变化,斜激波和接触间断面是造成流场在出口平面波动的主要原因。旋转爆震发动机具有较高的比冲,基于燃料的平均比冲为49131.5 N.s/kg。     

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。     

液态碳氢燃料旋转爆震发动机起爆过程试验研究

为了分析液态碳氢燃料/纯净空气旋转爆震发动机从点火到旋转爆震波稳定传播过程的影响因素,采用预爆震管点火进行了相关试验研究。获得了预爆震波压力、燃烧室油气比、来流总温、点火器安装方式等对旋转爆震发动机起爆过程的影响。试验结果表明：旋转爆震波起爆时间随着预爆震波压力升高而缩短;来流总温740K,变化当量比时,越接近当量比1,旋转爆震起爆时间越短;工质为当量混气时,来流总温通过影响燃油的蒸发过程进而影响旋转起爆时间,总温673K以上时,起爆时间约10ms;预爆点火器垂直安装比切向安装更快形成旋转爆震波。     

壁面抽吸条件下的爆震波传播特性

为研究静止气中壁面抽吸对爆震波传播特性的影响,采用数值模拟方法研究了多孔抽吸壁面条件下爆震波的流场结构、传播速度等特性的变化规律。结果表明多孔抽吸壁面对爆震波传播特性有两方面的影响。首先,流场与多孔壁面发生碰撞产生弧形激波,弧形激波对爆震波的横波结构造成直接破坏,导致靠近多孔壁面区域的爆震波产生明显的速度亏损,爆震波强度削弱甚至熄爆;其次,多孔壁面作用导致了流场不稳定性增强,流场与孔板碰撞产生高温高压点,对爆震波的传播有促进作用,尤其在临界条件下,可能导致爆震波熄爆后重新起爆。在保持抽吸压力和边界条件不变情况下,对不同活性及不同抽吸距离时的爆震波传播特性进行研究,发现预混气活性降低、抽吸距离增长时,爆震波结构和传播速度受壁面抽吸影响增强。在加长抽吸距离条件下,随着预混气活性的降低,存在3种爆震波传播现象,即自持传播、熄爆后重新起爆以及完全熄爆。将相应工况下的实验研究与数值模拟结果进行对比,验证了数值模拟结果的正确性。     

一种组合动力装置爆震点火的三维数值模拟

为在组合动力中寻求一种可靠、高频的爆震起爆方法,对超声速环形向心射流产生的激波在抛物形凹面腔内形成激波会聚,并起爆爆震的过程进行了三维的数值模拟。分析了环形向心射流的发展、前导激波的碰撞、激波会聚起爆爆震波及爆震波传播过程的流场变化情况。研究发现:除了激波的强度和混合气的性质这两个关键影响因素以外,在一定条件下,几何条件对能否起爆爆震有非常重要的影响。前导激波的碰撞和激波会聚产生的压力升高要远高于温度升高。激波在凹面腔内会聚形成的高能区域能直接起爆过驱动爆震波,起爆后过驱动爆震波迅速衰退成CJ爆震波。爆震波平均波速为1929.8m/s,波后压力为1.5MPa,温度为3400K。     

点火位置对两相旋转爆震波起爆特性影响的实验研究

为了揭示两相旋转爆震波在空筒形燃烧室内的建立过程及传播特性,以航空煤油为燃料,富氧空气为氧化剂,在不同氧化剂供给条件下,实验研究了垂直预爆管安装位置（即点火位置）对旋转爆震起爆特性的影响。结果表明,在四个点火位置上（距喷注端面分别为20,40,60和90 mm,相对点火位置分别为0.15,0.30,0.46和0.69）均可触发并实现旋转爆震波的稳定传播,并观察到稳定爆震和不稳定爆震两种模态;旋转爆震波的建立过程均可以分为三个阶段：缓燃燃烧阶段、起爆阶段和稳定旋转爆震阶段。其中,缓燃燃烧阶段耗时最长,占爆震波建立时间的60%～80%,是制约RDE快速启动的关键环节;在相对点火位置为0.46处点火时,稳定爆震模态的建立时间最短且对应的工作范围最宽。     

高总温来流下的连续旋转爆震验证试验

为验证吸气式连续旋转爆震推进的可行性,在直连式试验台上开展了连续旋转爆震试验。采用三组元空气加热器模拟吸气式推进时的高总温来流,其设计流量600g/s,总温860K。采用热射流切向喷注的方法成功起爆了H2/air连续旋转爆震波,并实现了稳定自持传播。在H2/air当量比为0.86时,连续旋转爆震波以单个波头的同向传播模态传播,且其未影响到空气加热器的正常工作。爆震波的传播频率为3.68kHz,与高频压力FFT分析所得的主频3.67kHz吻合较好;爆震波传播速度为1248m/s。在未测量高频压力的情况下开展了长程试验,结果表明,在高总温来流条件下,连续旋转爆震波也可以在更长时间范围内稳定工作。     

点火位置对圆盘结构下旋转爆震波起爆过程的影响

为分析点火位置改变对旋转爆震波（RDW）起爆过程的影响,在圆盘形旋转爆震发动机上进行点火实验,研究了不同点火位置、质量流率条件下旋转爆震波的建立过程及工作特性。结果表明,不同点火位置下,RDW的起爆过程皆经历点火器放电、爆燃转爆震以及稳定旋转爆震3个阶段。点火位置靠近喷注面附近时,RDW起爆过程中的无序缓燃模式缩短,起爆时间缩短,且一致性更好。在燃烧室出口位置点火,低质量流率条件下,RDW的起爆时间明显增加;质量流率小幅度提高有效缩短了RDW的起爆时间,而质量流率大幅度提高增加了RDW起爆过程的波头数。模态转变的临界条件附近,点火位置改变可能会影响RDW起爆段的工作模态,在燃烧室中心位置附近点火,更容易得到多波旋转爆震波。点火位置改变对旋转爆震发动机（RDE）稳定段的工作模态和爆震波参数影响很小。     

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。     

超声速预混气扩张流道热射流起爆研究

为深入理解超声速预混气射流起爆过程机理,采用块结构自适应网格加密程序AMROC,在并行计算系统中模拟单边扩张流道中H2/Air超声速预混气在持续热射流作用下的爆震起爆过程。结果表明,5.4°扩张流道上方的4mm宽度热射流在140μs时间内成功起爆了超声速预混可燃气;形成的爆震波前传速度为55.9m/s,过驱度只有1.059,接近为CJ状态的爆震波;扩张壁面使得射流诱导形成的弓形激波出现分离激波,分离激波与弓形激波相交导致弓形激波波后温度的升高,从而加速了爆震波面的形成;在扩张壁面的作用下,射流起爆的爆震波面更接近于CJ爆震波面。     

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。     

横向射流起爆爆震波数值研究

采用CFD软件对横向喷射的射流在预先充满丙烷/空气恰当比混合物的爆震室中起爆爆震波的过程和机理进行了数值模拟,并讨论了射流的压力、速度以及温度对爆震波起爆特性的影响.结果表明,对于计算的物理模型,爆震射流不能在爆震室中直接起爆爆震波;射流与壁面的碰撞形成激波反射,激波反射产生的横渡、热点和局部爆震引发起爆;能够成功起爆爆震波的横向射流存在最小的射流压力,该射流压力为0.9MPa;较小的射流压力、较小的射流速度或较低的射流温度都不利于横向射流在爆震室中起爆爆震波.     

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。     

受侧向膨胀影响的爆震波传播过程研究

基于Fay流体扩张理论,运用实验观测、数值模拟和理论分析等方法研究了侧向膨胀对爆震波传播过程的影响.详细分析了爆震波在侧向膨胀段的流场结构,由于气体可压缩壁面限制性作用较弱,爆震波强度受到不同程度衰减,波面发生一定变形,横波数量明显减小且横波间距增大.对比研究了预混气活性对爆震波流场结构和传播过程影响,实验发现预混气活性较高时,即ER=1.0,爆震波能够抵御侧向膨胀衰减影响,能够自持传播;预混气活性较低时,即ER =0.7,其抵御侧向膨胀能力较弱,速度亏损变大,波面变形严重,爆震波解耦而熄爆.若要维持爆震波在气体可压缩壁面稳定传播,需要一定活性来抵御侧向膨胀影响.     

点火方式对旋转爆震发动机工作特性的影响

为研究并改善旋转爆震发动机的点火-起爆性能,进一步深入了解点火方式对旋转爆震发动机工作特性的影响,采用小能量火花点火装置、高能量火花点火装置、爆震管三种点火方式,进行了一系列旋转爆震发动机起爆实验,发动机采用环缝-喷孔对撞式掺混方式,燃料为H2,氧化剂为空气。实验对比研究了不同点火方式下旋转爆震发动机的点火起爆性能及点火方式对发动机工作特性影响。实验结果表明三种点火方式均成功起爆旋转爆震波,并周向稳定传播。通过对旋转爆震波起爆过程详细分析发现,不同点火方式引燃的不同初始状态的火焰均需在环形燃烧室经历一个类似DDT的火焰发展过程才能成功建立爆震波,且火焰发展过程的时间间隔表现出很强的随机性,但总体来看爆震管点火时爆震波建立时间较其他两种点火方式短。此外,该工况条件下三种点火方式起爆发动机时其工作状况可重复性均可达100%,稳定工作过程中的传播特性与点火方式无明显关系,爆震波传播频率较为稳定,在5437~6440Hz波动。