H_2/Air连续旋转爆震发动机推力测试(Ⅱ)-双波模态下的推力

在环缝-喷孔对撞式喷射的H2/Air连续旋转爆震模型发动机上实现双波自持。详细分析了连续旋转爆震波以双波模态自持传播的典型波形特征和时域、频域特征。测量了模型发动机工作在双波形模态下所产生的一维推力,讨论了比冲等推力性能。时频特性和推力积分表明:出口背压为大气压时,在空气流量786.6g·s-1,氢气流量20g·s-1,当量比为0.8733的工况下,模型发动机以平均传播频率10.5809k Hz,平均传播速度1578.9m·s-1的双波模态稳定工作超过650ms。产生可靠的有效推力约808.5N。以火箭模式计算,有效排气速度为1002.3m·s-1,总比冲为102.3s;以冲压模式计算,有效排气速度(氢气消耗率)为40425m·s-1,燃料比冲为4125s,所消耗氢气的单位面积质量流率为13404g·m-2·s-1,单位推力为1027.8m·s-1。相比于单波模态,双波模态使得燃烧室内压力更为均匀,高频推力曲线振荡幅值小。爆震波头个数增多有利于推力稳定。     

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。     

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。     

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。     

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.      

H_2/Air连续旋转爆震发动机推力测试(I)单波模态下的推力

在环缝-喷孔对撞式喷射的连续旋转爆震模型发动机上,以H2/Air为工质,对连续旋转爆震波以单波模态稳定自持的典型波形特征和时域、频域特征进行了研究。直接测量了模型发动机工作在该模态下产生的一维推力,讨论了比冲等推进性能。试验结果表明:出口背压为大气压时,在空气流量253 g·s-1,氢气流量6.15 g·s-1,当量比为0.834的工况下,模型发动机以平均传播频率5.5563 k Hz、平均传播速度1658.3 m·s-1的单波模态稳定工作360 ms。产生可靠的有效推力约为183.7 N。以火箭模式计算,有效排气速度为708.9 m·s-1,总比冲为72.34 s;以冲压模式计算,有效排气速度(氢气消耗率)为29870 m·s-1,燃料比冲为3048 s,消耗的氢气的单位面积质量流率为4122 g·m-2·s-1,单位推力为726 m·s-1。推力曲线的面积积分表明旋转爆震模型发动机所提供的推力比较稳定;微观来看,推力波形与爆震波高频压力波形耦合,围绕推力平均值振荡。     

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。     

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。     

连续旋转爆震波传播过程研究(Ⅱ):双波对撞传播模式

在喷孔-喷孔和环缝-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,根据高频压力测量和高速摄影观测结果对爆震波传播过程进行了分析。试验发现了短暂的和可长时间维持的双波对撞传播现象,在该传播模式下燃烧室内存在两个爆震波头,但传播方向相反,周期性发生对撞,其高频压力振荡特征跟测压点距对撞点的夹角相关。初步分析了双波对撞传播过程的形成机制,认为在爆震波顶部能否形成混合气体层是实现该传播模式的关键。     

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。     

空桶燃烧室内连续旋转爆震的稳定性分析

在空桶燃烧室中开展了不同流量下（142.7～493.9 g/s）的连续旋转爆震试验。流量为493.9 g/s时，爆震波的传播速度接近Chapman-Jouguet(CJ)理论参考值。随着流量的减小，爆震波的传播速度和压力逐渐降低。当流量降至142.7 g/s，爆震波演化为双波模态，并伴有熄灭-再起爆现象。而且，爆震波的压力和速度周期性波动，平均传播速度仅为76.8%的CJ爆震速度。随后，采用非线性时间序列分析法讨论了不同工况下爆震波的稳定性。结果表明：流量大于300 g/s时，燃烧室的高频压力序列在相空间中的吸引子收敛为极限环模式。减小流量后导致吸引子趋于混乱，表明爆震传播稳定性降低，系统趋于无序状态。该研究讨论了流量对爆震波稳定性的影响，并探索了非线性时间序列分析在旋转爆震稳定性研究中的应用，为复杂工况下爆震波稳定性判断提供了方法参考。     

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。     

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。     

当量比对液体燃料旋转爆轰发动机爆轰影响实验研究

为了研究液态燃料连续旋转爆轰波起爆机理和不同工况下的旋转爆轰波特性,采用了环形阵列式精细雾化装置,进行了汽油/富氧空气组合的连续旋转爆轰试验。试验成功起爆并实现了旋转爆轰波的自持传播,爆轰波传播频率为2.1~2.4k Hz,传播速度为1022.2~1171.8m/s。该发动机上旋转爆轰波始终为同向传播模态,存在单波头、双头波和多波头同时存在的混合传播模态,旋转爆轰波传播速度存在亏损。试验工况范围内,旋转爆轰波的传播速度随总推进剂的质量流量增大而增加;在一定工况范围内,同一当量比工况下,旋转爆轰波压力值随总推进剂的质量流量增大而增加;旋转爆轰波压力极大值出现在当量比1.1附近。     

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。     

旋转爆震发动机爆震波建立过程实验研究

为了深入研究旋转爆震发动机爆震波建立过程及形成机理,采用小能量火花单次点火的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,实验成功起爆旋转爆震波,并连续旋转稳定传播,爆震波传播频率为5.09~6.45k Hz,传播速度为1286~1644.8m/s。在发动机稳定工作过程中,集气腔与燃烧室相互影响,二者处于平稳的动态平衡。其次,通过对旋转爆震波起爆过程详细分析发现,点火形成的初始火焰在环形燃烧室经历一个类似DDT的火焰发展过程,成功转变为爆震波,且从点火到爆震波建立之间的火焰发展传播过程和时间间隔均表现出很强的随机性。此外,为验证小能量火花点火的可靠性,还进行了小能量点火重复性实验,发现在稳定工况条件下采用小能量点火成功率最高可达100%,各组旋转爆震波传播速度在1440m/s附近波动。     

圆盘结构下旋转爆震波的不稳定传播特性

为研究圆盘结构下旋转爆震波的不稳定传播特性,以2H2+O2+3.76N2为反应混合物,开展该结构下的二维数值研究。详细分析了旋转爆震波不稳定传播模态的流场特征,以及爆震波参数、出口流场参数和增压比的变化。结果表明,不稳定传播模态下,旋转爆震波重复进行"解耦—再起爆"过程,内圆扩张曲面的发散作用,使出口附近的爆震波首先解耦,解耦区域逐渐往流场内部扩张;反射激波与前导激波的碰撞产生局部热点,促使爆震波重新起爆;爆震波的压力、温度以及传播速度皆随爆震波的解耦及再起爆过程发生变化;旋转爆震波的不稳定传播对出口速度分量及马赫数的影响很小;出口增压比受不稳定传播的影响较大,随时间呈周期性变化,变化幅值较高且不稳定。出口增压比的循环周期与爆震波"解耦—再起爆"的周期一致,稳定后两者的循环频率约为21.6kHz。     

煤油两相连续旋转爆震燃烧室工作特性试验研究

为了深入分析煤油燃料两相连续旋转爆震燃烧室的工作特性,采用富氧空气或氧气为氧化剂,通过试验得到爆震波的时域、频域特征,对两相连续旋转爆震燃烧室中爆震波的起爆过程和稳定后的传播过程进行研究。利用基于激光散射相位多普勒分析(PDA)技术对雾化流场进行了测量,得到喷注器出口不同平面处煤油液滴速度与直径的统计分布。试验结果表明当煤油流量为78g/s,氧气流量为224.0g/s,空气流量为72.5g/s,当量比为1.083时,燃烧室在单波模态下工作,爆震波传播频率为0.904k Hz,平均转速为649m/s。使用氧气作为氧化剂,当煤油流量为81.8g/s,氧气流量为231.8g/s,当量比为1.222时,燃烧室在双波模态下工作,爆震波传播频率为5.882k Hz,平均转速为1848m/s,传播过程中表现出很强的非定常性。在当量比为0.805~0.908的富氧工况下,随着氧化剂中含氧量的增加,爆震波的速度逐步增大,最终达到2440m/s;在当量比为1.057~1.220的富燃工况下,随含氧量的增加爆震波速度呈现线性增长的特征。     

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。