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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

燃料分布对旋转爆震波传播特性影响

为定量研究燃料分布对旋转爆震波传播特性的影响，针对两种环缝/小孔喷注方案开展了数值和实验研究。针对燃料(H2)和氧化剂(air)分开喷注的旋转爆震燃烧室模型，开展冷流掺混的三维数值模拟研究，给出了掺混均匀度评价参数，获得了两种喷注模型的反应物掺混均匀度沿轴向的变化规律。针对这两种喷注模型，开展旋转爆震波传播特性实验研究，分析了旋转爆震波的传播速度、工作稳定性、当量比边界等。研究结果表明:将燃料喷注小孔前移，可大幅提高燃烧室头部的掺混均匀度；随着掺混均匀度的提高，旋转爆震波的传播速度增加，传播稳定性明显提高，稳定工作的当量比下限从1.08拓宽至0.57。研究结论可为旋转爆震发动机喷注结构设计提供参考。      

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。     

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。     

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。     

连续旋转爆震波与涡轮静子叶栅相互作用数值研究

为了研究旋转爆震燃烧与涡轮部件组合的工作特性，对旋转爆震波与涡轮静子叶栅的相互作用过程进行了数值模拟，考虑了不同传播方向的影响，详细分析了爆震波与涡轮叶栅相互作用机理。结果表明，爆震波顺着叶盆方向传播时，在叶栅的叶盆处出现高温区，逆向传播时，同时在叶盆和叶背处都出现高温区；并且顺向传播时产生的反射波强度更大。分析了涡轮进出口压力和温度的变化过程，发现涡轮对压力的波动有一定抑制作用，顺向和逆向传播的爆震波经过涡轮叶栅后压力变化幅值分别下降了68%和57%。得到了对于当前叶栅构型，顺向传播的爆震波总压损失为11.03%，而逆向传播的爆震波总压损失为6.7%。     

基于圆盘燃烧室的爆震波与来流相互作用研究

针对旋转爆震发动机传统环形隔离段不易进行光学观测的难题,设计了一套可实现隔离段流场观测的圆盘形旋转爆震燃烧室。通过数值计算和光学观测试验,对圆盘燃烧室中爆震波与来流相互作用的典型流场结构进行了研究,并分析了不同因素的影响规律。研究发现：爆震波诱导出的斜激波在向隔离段上游发展的过程中强度逐渐减弱,爆震反压的前传距离随周向角度增大出现先增加后降低的趋势;增大隔离段入口总压、减小隔离段出口马赫数、提高爆震波传播速度均有利于减缓爆震波与来流相互作用强度,提升隔离段的起动性能;试验中观测到与数值计算定性一致的隔离段流动现象,为开展爆震波与来流相互作用研究提供了有效试验观测手段。     

壁面凹腔强化H2超声速燃烧的数值模拟

为了分析凹腔火焰稳定器强化H2超声速燃烧的流动特性，运用数值模拟方法研究了凹腔对超声速燃烧室性能的作用规律。结果表明：凹腔的火焰稳定机制主要在于富含自由基的高温回流区，燃烧室结构设计采用凹腔火焰稳定器能够起到稳定燃烧和增强混合的作用；与直通道燃烧室相比，凹腔燃烧室尽管总压损失较大，但可以获得较好的混合和燃烧性能。     

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。     

三维超声速燃烧室凹腔构型的优化设计及参数分析

凹腔构型对超声速燃烧室的燃烧效率、阻力特性、火焰稳定等性能都有重要的影响,且凹腔构型各参数变化产生的影响存在复杂的耦合作用。因此,针对横向喷射燃料的三维超声速燃烧室凹腔构型进行了基于代理模型的优化设计及参数分析研究。首先对凹腔的长度、深度和后壁倾角进行正交试验设计,数值仿真用以对凹腔燃烧室进行流场与性能分析,建立燃烧室燃烧效率和总压恢复系数与设计变量间的代理模型,根据基于替代模型的复杂系统优化策略,采用带精英策略的非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对凹腔构型进行二次优化设计,得到Pareto前沿面。结果分析表明,优化凹腔构型可分为窄深型、浅长型和中深中长型,分别对应Pareto前沿面的急变段、平缓段和巨变段;凹腔燃烧室的燃烧效率与凹腔长度呈负相关,与凹腔深度呈正相关,总压恢复系数反之;后壁倾角对总压恢复系数和燃烧效率影响均较小。平缓区的燃烧室压力幅度变化小且总压恢复系数高,其长深比在2.67~8,在不需要极高的燃烧效率情况下,可以优先选择平缓区凹腔构型。     

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。     

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。     

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.