引射器形式对脉冲爆震发动机性能的影响分析

为了研究引射器结构形式对脉冲爆震发动机性能的影响,以氢气和氧气混合物为例,采用数值计算方法,对加装收敛、扩张和收扩型三种引射器的脉冲爆震发动机进行了数值模拟,并对其性能进行了比较与分析.计算结果表明,只有收扩型引射器能起到增推作用.同时,将二次流率与增推比相比较,发现二者成正比关系.研究结果对脉冲爆震发动机设计中引射器的选型具有一定的参考意义.     

共用喷管多管爆震发动机工作过程数值模拟

为研究共用喷管多爆震管间爆震流场的相互作用,利用CFD商业软件,选用通用有限速率模型,以氢气和氧气混合物为例,对不同喷管喉部面积和不同爆震管数的共用喷管多管爆震发动机工作过程进行了数值模拟,并对其性能进行了比较与分析。计算结果表明,喷管喉部面积和爆震管数目对爆震管间的相互影响产生很大影响,模拟结果可为多爆震管脉冲爆震发动机的设计提供理论基础。     

旋转爆震冲压发动机总体性能分析

为了快速可靠地评估旋转爆震冲压发动机的总体性能,针对冲压模态下的旋转爆震发动机建立了性能分析模型。模型以飞行条件和冲压发动机关键几何参数作为输入参数,结合气体动力学和C-J爆震理论,获得旋转爆震燃烧室的流场参数分布以及发动机喷管排气参数,输出发动机推力以及燃料比冲,建立了基于连续旋转爆震的冲压发动机性能评估方法。模型参与反应的燃料和氧化剂分别为煤油以及空气,主要研究了燃料温度、喷管喉部面积、燃烧室环面面积、反应物当量比、飞行马赫数以及飞行高度对发动机燃料比冲、推力的影响趋势。研究结果表明,控制其它变量不变,发动机推力与燃料比冲随燃料温度上升而提高;随喷管喉部面积、燃烧室环面面积减小而增大;随飞行高度增加而降低;燃料比冲随当量比、马赫数增大而减小,而推力随当量比、马赫数增大而增大。在高度为25 km、马赫数为4、当量比为0.6的工况下,发动机燃料比冲可达到1 740 s。分析结果表明,模型计算方法可靠,可快速计算出旋转爆震冲压发动机的推力性能,为旋转爆震冲压发动机的设计提供可靠参考。     

爆震频率对脉冲爆震发动机引射性能影响的实验

采用汽油为燃料,空气为氧化剂,对多循环脉冲爆震发动机(PDE)加圆直形引射器的增推性能进行了实验研究.实验采用力传感器法对爆震发动机加引射器前后不同爆震频率以及不同引射器长度下的平均推力进行了测量.结果表明:脉冲爆震发动机非稳态引射器可以提高系统的平均推力,当爆震频率为2Hz时平均推力增益最大,可达64.4%.在一定频率下,对直径一定的圆直管引射器存在着一个最佳长径比4.8,此时对应推力增益性能最好.      

障碍物对脉冲爆震发动机性能影响的数值模拟

运用计算流体力学方法计算了理想脉冲爆震发动机（PDE）单次爆震的性能参数,并和Wintenberger半分析模型进行了对比,研究了圆环形障碍物阻塞比和节距内径比对空气流动损失和脉冲爆震发动机单次爆震性能的影响,并与连续的多脉冲爆震实验的相关结果做了比较。研究结果表明,数值模拟计算得到的冲量和Wintenberger半分析模型得到的冲量非常接近,佐证了数值模拟方法和结果的正确性;障碍物阻塞比增大、节距内径比减小或进口速度增大,空气流过障碍物时的总压恢复系数减小,流动损失增大;障碍物阻塞比增大,单次爆震的体积比冲减小,单位燃油消耗率增大,性能降低;当阻塞比为41％时,体积比冲为理想爆震管体积比冲的92％,损失了8％;障碍物节距内径比增大,单次爆震的体积比冲先减小后增大,而单位燃油消耗率先增大后减小,不同节距内径比的体积比冲为理想爆震管体积比冲的94％左右,不同节距内径比对性能影响规律与多次脉冲爆震实验结果趋势符合。     

前置涡轮组合脉冲爆震发动机性能分析

为解决纯脉冲爆震发动机地面启动问题,并提升其低马赫数下的性能优势,提出了一种利用外涵中爆震室头部压力驱动内涵中涡轮转动部件的前置涡轮组合脉冲爆震发动机,建立了相应的性能分析方法,并对其部件特性及整机性能进行了计算研究。结果表明,近似稳态的涡轮总温总压进口条件可以在该组合发动机中实现,同时随着爆震室头部侧向开孔面积与爆震室面积之比(即驱动面积比)增大,流入发动机内涵驱动涡轮的气体流量增大,而涡轮前总温、总压及涡轮落压比减小,组合发动机整机推进性能增大;通过改变驱动面积比的大小,可以获得不同的压气机增压比以适于不同的飞行马赫数,进而实现发动机宽广的工作范围。     

引射器轴向位置对PDE的性能影响实验

根据脉冲爆震发动机(PDE)工作特点为其设计了6组不同结构的圆柱型引射器,并针对各种结构引射器,采用力传感器法对不同轴向位置处引射器的增推性能进行了实验研究,实验采用汽油为燃料,空气为氧化剂。实验结果发现,轴向位置对引射器的增推性能有非常明显的影响,当引射器入口正好位于脉冲爆震发动机出口处(0点)或位于下游1/2倍脉冲爆震发动机直径处时,系统会出现一个至少高于35%的推力增益点,但是当引射器入口从该点继续远离发动机出口位置时,推力将会急剧地下降;当引射器从0点逐渐向上游移动时,引射器的推力增益呈先下降后上升再下降的趋势,最高推力增益可达80.5%。     

脉冲爆震发动机引射模态数值模拟和验证

针对脉冲爆震发动机地面启动问题,采用非稳态二维轴对称数值模拟的方法对多循环火箭式脉冲爆震发动机引射模态,即爆震管加直管引射器的引射过程进行了研究。同时通过爆震引射的实验获得引射比作为比较参数。引射比的计算结果与实验数据基本吻合。提出了爆震非稳态引射的3个阶段和相应的3种作用机制即:激波的压缩加速;射流卷吸;惯性和压差作用,并为下一步主爆震管燃油喷注位置提供了设计依据。      

两级脉冲爆震发动机的理想热力循环及性能分析

为研究两级脉冲爆震发动机的性能,以Brayton循环和理想爆震循环为基础,建立和分析了两级脉冲爆震发动机的理想热力循环,利用CEA软件计算了富油燃烧产物及其组分随当量比的变化。计算分析表明,两级脉冲爆震发动机理想循环的热效率和单位推力介于Brayton循环和理想爆震循环之间,且随第一级放热比增大而减小;为得到最多的氢气和一氧化碳,第一级富油燃烧当量比应在2.6～2.8;由于燃烧反应不能完全进行和离解反应的存在,使得第一级富油燃烧的放热量减少,循环热效率增加。     

脉冲爆震火箭发动机和小推力液体火箭发动机的性能对比分析

为了了解脉冲爆震火箭发动机的性能优势,对比了脉冲爆震火箭发动机和小推力液体火箭发动机的推力和比冲,其中脉冲爆震火箭发动机的性能计算采用等容循环计算模型.结果表明:真空状态下,随燃烧室进口温度的升高,比冲增加不大;在推进剂和发动机结构尺寸相同的情况下,脉冲爆震火箭发动机产生的推力比小推力液体火箭发动机的多3.0倍至6.8倍,但比冲相当.     

零二次流引射器启动性能数值研究

为研究零二次流引射器结构参数如何影响其启动性能,采用数值方法模拟求解了引射器流场,并分析了引射器从启动到不启动的典型工作状态。结果表明:扩压器入口面积与引射喷管喉部面积之比Ad/At和第二喉道收缩比Ast/Ad是影响引射器性能的首要因素,其次是第二喉道长径比Lst/Dst和第二喉道入口的位置Ld/Dd。Ad/At越大,扩压器入口斜激波越强,总压损失越大,临界启动压比越大,越难以启动;Ast/Ad越小(大于其临界收缩比)则临界启动压比越小,越易于启动。     

RBCC引射火箭模态二次燃烧实验

为了提高RBCC引射火箭模态的推力性能,探索热力壅塞对引射模态推力的影响,开展了二次燃烧实验研究。引射火箭采用二元支板结构,燃气发生器采用多个喷管以加强混合,二次燃料喷嘴为小流量直流自击式喷嘴。通过实验,获得了燃料的质量流率、燃料喷射位置和物理喉道面积对推力的影响。结果表明:合适的燃料流量和喷射位置可以在静态条件下产生推力增强。     

多喷嘴超声速引射器启动性能试验

建立了多喷嘴超声速引射器试车台,采用燃气作为一次流驱动工质对多种多喷嘴构型引射器的启动性能进行了试验研究。试验结果表明:相对于环型引射和中心引射,具有较高一次流马赫数的多喷嘴引射在增强混合的同时引入了额外的压力损失,其启动所需要的第二喉道面积更大、最小启动压力更高;引射喷嘴个数越多、管道马赫数越高、引射喷嘴出口马赫数越高,则所需启动压力越高;引射喷嘴出口马赫数越高,所获得的盲腔压力越低;二次流的"助推"作用可以在一定程度上改善引射器的启动性能。     

多管脉冲爆震发动机流场数值研究

针对二维带有收敛扩张喷管的双管脉冲爆震发动机(PDE),采用并行的时空守恒元和解元(CE/SE)方法对单管点火、双管同时点火和不同喉道面积情况下的爆震流场进行了数值模拟。化学反应模型采用H2和O2的8组分34基元反应。计算发现,单管点火情况下传入旁通爆震管的流场可以引爆其中的可燃气体;多管PDE内流场之间的相互作用使管内的压强处于比较高的状态;增大喉道面积削弱了多管PDE流场之间的相互影响,同时减小了封闭端面的压力,从而导致发动机性能下降。     

双级波瓣引射混合器的引射性能

采用实验和数值方法对双级波瓣引射混合器的引射性能进行研究,重点研究混合管在两种不同进口方式下的引射混合器气动特征差异,并初步分析混合管面积比和长径比对双级波瓣引射混合器引射性能的影响.结果表明:混合管进口方式对引射能力有非常重要的影响,在研究的结构参数条件下,对于受限式进口,单级波瓣引射混合器的引射能力要强于双级波瓣引射混合器约10%;而对于敞开式进口,其引射能力要优于受限式进口最大约35%,此时双级波瓣引射混合器的引射能力要略好于单级波瓣引射混合器.在较大的混合管面积比或较小的长径比下,敞开式进口下双级波瓣引射混合器较受限式进口表现尤为优越.      

2m×2m超声速风洞引射器气动设计

采用一维气体引射器流动特性方程计算了该等面积混合引射器在不同运行状态下的性能参数,设计增压比为2.1~2.7,引射系数为0.392~0.651,综合结构设计要求确定引射喷嘴数目为24个,径向布置两层,面积比为0.235.引射器1∶13缩比模型的试验结果与计算值具有良好的一致性,5个设计状态下的实测增压比均略高于设计值.2m×2m超声速风洞调试时因整体参数调整导致引射器在某些工作状态偏离了设计点,但增压比与引射系数的对应关系仍与设计结果基本一致,引射器总体性能指标满足风洞试验需求.     

二元收-扩喷管气动喉道控制数值模拟

设计了收敛段为圆转方段的二元收-扩喷管,对喉道面积气动射流控制方案进行了数值模拟,分析了喷管出口宽高比、落压比、射流角度对喉道面积和喷管性能的影响.结果表明:喷管喉道矩形截面宽边壁面附近的静压小于窄边壁面附近的静压,并且随着出口宽高比的增大,宽边壁面附近的静压逐渐减小,窄边壁面附近的静压逐渐增大;在同样的落压比下,出口宽高比增大,喉道面积控制范围(RTAC)、喉道面积控制效率(ETAC)增大,总压恢复系数减小;出口宽高比一定时,随落压比的增大,RTAC,ETAC先减小而后基本保持不变,总压恢复系数增大;ETAC随射流角度的增大而增大.