Ma=4液体碳氢燃料超燃冲压发动机点火试验

在模拟飞行马赫数Ma=4,飞行高度H=20 km的条件下,针对不同燃料喷射方式、不同点火位置以及不同燃料当量比,进行了液体碳氢燃料超燃冲压发动机内点火过程的直连式试验研究。试验结果表明,在低飞行马赫数条件下,采用火花塞+引导氢的点火方式可以顺利实现单一点火位置条件下的火焰传播过程,并最终在整个燃烧室内实现各喷射位置燃料的燃烧;采用火花塞+引导氢的点火方式有利于实现煤油的点火、火焰维持与稳定燃烧;对于多位置喷油方案,引导氢与煤油的相对位置和当量比配比会使各喷射位置煤油的燃烧产生相互影响;试验最终在当量比0.66的条件下实现了煤油自持、稳定的燃烧。     

点火参数对煤油活塞发动机燃烧影响的数值模拟

为了了解点火参数对某2冲程航空活塞煤油发动机燃烧及温度场的影响,利用GT-Power和Fire软件对该发动机整机及燃烧室分别建立了仿真模型,选取扭矩、功率以及缸压数据验证了该模型的正确性,并对发动机在6000 r/min、全负荷工况下的燃烧和温度场分布等特性进行分析.结果表明:当点火时刻由335°CA变化至331°CA时,缸内混合气燃烧放热量增多,放热率峰值增大,放热率峰值对应曲轴转角的提前量变大,燃烧放热速率加快,混合气温度和压力上升变快,高温区范围增大;当点火能量由28.02 mJ增加至46.73 mJ时,双火花塞附近的温度升高,火花塞点火产生的火核尺寸增大,缸内燃烧温度与压力升高,燃烧放热速率加快,缸内高温区分布范围增大.     

二冲程汽油机高空增压功率恢复计算研究

通过地面试验与高空仿真模拟相结合的方式对二冲程汽油机高空增压功率恢复性能进行了研究.建立了二冲程增压汽油机的仿真计算模型,分析了二冲程汽油机排气系统的特性.针对性的设计了排气管系,合理调整排气管的长度以及收缩膨胀比,促进了汽油机的扫气过程,弥补了加装增压器带来的排气背压增大缺点.研究了增压后的汽油机在不同海拔处的功率和油耗特性,其输出功率与燃油经济性比原机都有所改善,能够适应高空的工作条件.      

喷水射流预冷对加力燃烧室特性影响分析

为了探究采用射流预冷技术之后加力燃烧室性能，开展了不同喷嘴布置方案、喷水量和来流温度对预冷效果的影响研究。对射流预冷发动机工作过程进行了简化，建立了加力燃烧室进口前段射流预冷喷水特性计算的数学模型。同时搭建了小型试验台，通过与试验结果的比对验证了该模型的准确性，并利用该模型对射流预冷效果进行了仿真预测。结果表明：提高喷嘴数量与布置均匀性能够小幅度改善预冷效果；当来流温度不变时，射流预冷喷射腔室出口处的液态水蒸发量随着喷水量的增加而提高，但蒸发率却处于下降的趋势；当喷水量达到2%时，加力燃烧室燃烧效率对比不喷水工况会有一定的提升；喷水量达到4%以后，加力燃烧室出口温度及燃烧效率随着喷水量的提高而降低；喷水量大于8%以后，恶化了加力燃烧室（V型火焰稳定器）贫油熄火极限与燃烧效率；喷水量达到最大10%时，油气比需从原来设计工况的0.052上升到0.064才能保持稳定点火且对比不喷水时工况，加力燃烧室出口温度由1860K下降到1373K，燃烧效率由80.2%下降到69.2%。     

涡轮增压二冲程汽油机排气系统匹配研究

为提高无人机的工作升限,需要补偿高空处下降的功率,涡轮增压技术是航空活塞式发动机实现功率恢复的有效手段之一。二冲程汽油机使用增压技术后存在很多技术难点,尤其是增压后扫气损失的合理控制、扫气方案与排气管路的合理匹配等问题。因此本文通过仿真计算的方法对某型二冲程活塞汽油机,从涡轮增压布置方案、排气管路设计等方面进行了匹配研究,仿真结果表明,二冲程汽油机涡轮增压时涡轮布置在排气膨胀管后可以改善其换气过程;排气膨胀管结构形式及尺寸均对发动机性能有明显影响,且排气膨胀管位于排气歧管后,总长度1.2m,主直径186mm时发动机动力性能最优。     

微型涡喷发动机环形燃烧室数值研究

微型涡喷发动机燃烧室由于燃烧空间受限,导致微型燃烧室燃气驻留时间短、燃烧热损失大和燃烧效率低等问题。为了研究合适的微型燃烧室燃烧方案,实现在有限的驻留时间内完全燃烧,对某发动机微型环形燃烧室进行了数值模拟,采用标准k-ε模型、涡耗散模型和P-1辐射模型等数学模型对研究对象进行模拟,分析了该模型的一般燃烧和流动规律,并研究该模型在不同的增压比条件下的总压恢复系数、出口温度等燃烧特性,为微型环形燃烧室的结构设计研究提供依据。     

多凹腔双模态冲压发动机燃料喷注方案试验研究

为了更深入地了解和掌握多凹腔双模态冲压发动机的燃料喷注方案对燃烧室流场结构和工作性能的影响,开展了模拟飞行马赫数4.5~5.0及总温1048~1231K范围内变化的多凹腔双模态冲压发动机地面直连试验。通过试验,得到了不同喷注当量比、喷注位置或喷注级数条件下稳定的壁面压力分布和出口总压数据,并采用一维冲量分析程序对试验数据进行了详细处理和分析。结果表明:提高喷注当量比能有效地提高发动机的推力,但燃烧效率和发动机比冲会降低;将燃料喷注位置提前能使发动机的燃烧效率和推力分别提高5.6%和4.4%;燃料的分配方案对燃烧室的流场结构有明显影响,热力喉道的位置随燃料更集中地在下凹腔喷注而更靠下游,且要形成该热力喉道则需加入更多热量;采用上下游的两级喷注能形成较宽范围的亚声速区,有利于燃料的燃烧释热,可使燃烧室效率和发动机推力分别提高10.4%和10.8%。     

超燃冲压发动机燃烧室的燃烧特性

以一种低内阻光滑通道煤油超燃冲压发动机燃烧室为应用背景,采用有限差分法对燃烧室超声速流场进行了数值模拟.对流项采用3阶WENO（weighted essentially non-oscillatory）格式,湍流模型为SST（shear stress transport） k-ω模型,煤油（C₁₂H₂₃）/空气反应模型采用单步化学动力学模型.将燃烧室中沿侧壁的壁面静压的计算结果与实验结果进行了对比,结果符合良好,说明该算法适用于煤油超燃燃烧室计算. 研究了燃烧室来流静温、燃料/空气当量比和射流位置对煤油超声速流动与燃烧的影响.计算结果表明:燃烧集中在安装喷嘴一侧的壁面边界层附近,点火位置对当地静温非常敏感.随着来流静温降低、燃料/空气当量比减小和燃烧室扩张角增大,燃烧效率降低,燃烧性能下降,点火位置逐渐向燃烧室出口移动,燃烧放热形成的激波串结构消失.在燃烧室上、下壁面交错布置燃料喷嘴有利于提高燃烧效率.基于此,初步获得了光滑通道燃烧室内煤油点火燃烧的临界条件.      

一种基于多无人机的中继节点布置问题建模与优化方法

针对战场环境下急需在无法通信的节点间构建有效通信链路的情形,使用多无人机作为中继节点,建立了中继节点布置(RNP)问题模型。模型以中继链路有效和无人机安全为约束,以中继布置点位置及相应的无人机为输出,不但考虑了使用的中继无人机数量,还考虑了构建中继链路花费的时间。考虑到该问题是难以求解的混合整数多目标优化问题,同时在紧急应用情形下,要求求解算法快速有效,建立了一种多项式时间中继节点布置算法(PTRPA)。仿真实验验证了所提模型确实能够在更短的时间内完成有效中继链路构建;通过Monte-Carlo方法对比和分析不同因素对PTRPA算法、随机抽样算法、遗传算法求解该问题的结果性能和时间性能的影响,验证了PTRPA算法不但能够给出接近最优的解,且快速有效,满足战场决策需求。     

LPP低污染燃烧室单头部燃烧性能试验

对贫油预混预蒸发(LPP)低污染燃烧室单头部三级旋流器进行燃烧性能试验,研究不同的油气比、进口空气流量和进口空气温度以及值班级喷嘴安装位置对燃烧室出口截面燃烧性能的影响,获得了燃烧室出口截面温度分布、燃烧效率以及污染物排放的规律.试验结果表明:①油气比增加,NOx排放相应增加;头部A燃烧性能稍优于头部B;②同一油气比下进口空气温度越高,其燃烧污染物排放越多;进口空气流量越大,污染物排放越少;③值班级喷嘴安装位置对LPP低污染燃烧室燃烧性能有一定影响.      

基于双火花塞点火策略的活塞式航空煤油发动机爆震控制

在一台650 mL单缸活塞式航空发动机上,针对双火花塞点火方式对活塞式航空煤油发动机的爆震控制进行了试验研究。结果表明:采用两个火花塞同步点火,且将点火提前角推迟可以有效的抑制爆震,同时燃烧放热率幅值逐渐降低,整体燃烧相位逐渐推迟;采用双火花塞异步点火随着点火提前角点火相位差的增加,爆震强度逐渐降低,通过匹配主火花塞点火提前角与副火花塞点火提前角可进一步提升发动机的动力性。      

异步点火相位对四冲程发动机性能影响

为研究双火花塞点火相位差对安装有预燃室的四冲程点燃式航空重油活塞发动机的整机性能的影响规律,利用AVL-Fire软件建立了发动机燃烧室的CFD模型,并验证了模型的有效性;研究异步点火相位增加对整机缸内燃烧、火焰传播和缸内爆震的影响等。结果表明:在转速为5 000 r/min,30%节气门开度、喷油量为20 mg的条件下,主燃室中火花塞点火固定在上止点前20°曲轴转角,另一个火花塞相对其分别提前4°、 8°、 12°点火。随着异步点火相位的增大,缸内平均压力、放热率及累计放热量呈现逐渐增加趋势,但爆震发生的角度逐渐向上止点移动,强度有所增加。     

液体燃料脉冲爆震发动机点火方法研究

目前脉冲爆震发动机的起爆主要采用爆燃向爆震转变的方式实现,而爆燃波发展缓慢,消耗了循环周期的很长一段时间。为缩短爆燃向爆震转变的时间和距离,本文研究了一种新型蒸发管点火系统,用蒸发管对两相混合物进行预蒸发,在预燃室内点火形成火焰射流进入主爆震室,实现主爆震室内两相混合物的快速短距离起爆。热态实验在内径120mm,长2500mm的爆震室上进行。与火花塞直接在主爆震室点火相比起爆时间可以从12.5ms缩短到2～3ms,起爆距离可以从1350mm缩短到775mm。预燃室长度和个数对起爆过程也具有非常明显的影响,长度和个数的增加都有利于爆震波的起爆。     

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.     

小型二冲程航空发动机燃烧循环变动研究

利用峰值压力、最大压力上升率、燃烧百分率以及它们各自所对应的曲轴转角和相空间重构投影法评价小型二冲程航空发动机的燃烧循环变动.通过比较,认为燃烧百分率所对应的曲轴转角能更好地表征发动机的燃烧循环变动.针对发动机在中速和不同负荷条件下的燃烧循环变动分析,结果表明随负荷的加大,缸内燃烧的循环变动会变小,认为是负荷加大,气体...     

气氧/丙烷小推力发动机设计与实验

为适应小推力发动机无毒、无污染、高性能、低成本的发展趋势,设计了一种以气氧(GO₂)/丙烷(C₃H₈)为推进剂的发动机.采用层板式头部喷注器、利用喷嘴间隙实现电火花点火的独特点火方案、通过边区喷嘴进行气膜冷却,同时设计了发动机实验系统并开展了初步实验研究.实验结果表明:实验系统设计合理;发动机点火方案可靠、燃烧稳定、热防护效果良好,为进一步的研究奠定了基础.      

煤油/空气小尺寸脉冲爆震发动机实验研究

 为探索微小尺寸脉冲爆震发动机(SPDE)推进系统可行性,进行了气动阀设计,改善燃油雾化、掺混、点火性能和强化燃烧等SPDE关键技术的研究。设计了一台内径为29 mm,总长度为1 175 mm的气动阀式SPDE样机,采用航空煤油为燃料和地面冲压进气,并在该样机上进行了低点火能量的多循环实验研究。实验结果表明：SPDE能够在20~40 Hz频率下多循环地稳定工作,平均峰值压力均高于145 MPa;随着频率的增加,爆震室内平均压力峰值和爆震波平均速度都有一定的降低趋势;研究结果为有限空间和时间内的燃油雾化、蒸发和掺混进一步研究提供了依据,对研制工程应用的SPDE具有重要意义。     

电容式多次放电点火系统设计与试验

针对某型二冲程点燃式空气辅助缸内直喷发动机燃用柴油问题,提出了实现单电容连续多次放电点火的方法,研制了直流电容式多次放电点火模块,进行了多次点火功能性验证及点火能量测试.在此基础上,进行了环境温度为6℃下的冷起动试验及3000r/min小负荷性能试验,结果表明:在该环境条件下,采用5次放电点火策略能够使发动机起动成功,在小负荷工况下,增加点火次数有利于改善缸内燃烧,点火提前角在10°~20°之间时,4次点火对发动机动力性、燃油消耗率及排放性能改善比2次点火更明显,当点火提前角提前至30°后,其改善作用逐渐减小.      

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.