连续旋转爆轰发动机气液两相爆轰波传播特性二维数值研究

为了研究液体燃料连续旋转爆轰发动机(Continuous Rotating Detonation Engine,CRDE)中爆轰波形成与传播过程,采用二维CE/SE方法,对汽油、富氧空气两相连续旋转爆轰发动机爆轰过程进行数值模拟,分析了连续旋转爆轰发动机气液两相爆轰流场和爆轰波结构及入口和出口处的流场变化规律,揭示了CRDE自持传播机理。计算结果表明,燃料以时段阶梯填充方式来起爆旋转爆轰,可快速有效地形成单方向稳定传播的爆轰波;在周向方向上出口处的流场间断面要延后于入口处的间断面,出口流场间断面主要是由斜激波和接触间断面造成的,而入口流场间断面是由爆轰波引起的。通过对气液两相CRDE的二维数值模拟,可更好地了解液体燃料CRDE的工作过程,为液体燃料CRDE研究提供指导。     

连续旋转爆轰发动机外流场三维数值模拟

为研究连续旋转爆轰发动机(CRDE)内外流场的变化特性,采用氢气-空气单步有限速率化学反应模型,对内径为40 mm、外径为60 mm、长度为50 mm的连续旋转爆轰发动机进行三维数值模拟,获得了CRDE内外流场结构特征和旋转爆轰波相关参数的变化特性,分析了不同进气总压条件对流场结构和发动机性能的影响。结果表明:爆轰产物在燃烧室出口附近膨胀加速,压力和温度大幅降低,在流场下游产生激波使压力回升,且随进气总压的升高,激波距燃烧室出口距离增加;出口附近羽流中心形成低压高温区域,中心平面上的平均压力低于环境压力,给发动机推力带来了副作用;羽流外围的空气受出口处斜激波的扰动,压力呈现出周期性变化;发动机推力随进气总压的升高而呈线性增加,进气总压为0.55MPa时,发动机推力达到了1160 N。计算仿真结果对掌握连续旋转爆轰发动机外流场特性具有一定的参考价值。     

自吸气共振型PDE谐振腔内工作过程数值模拟

自吸气共振型脉冲爆震发动机(简称自吸气共振型PDE)的工作原理是基于激波在谐振室内的聚焦点火,从而直接起爆爆震波.通过对自吸气共振犁PDE谐振室内的工作过程进行数值模拟,得到了爆震波的直接起爆、传播等一系列过程,总结出了该新型发动机的潜在优点和缺点,为下一步的研究工作奠定了基础.     

喷管对连续旋转爆轰发动机性能影响数值研究

为研究尾喷管构型对连续旋转爆轰发动机性能的影响,采用内径40 mm,外径60 mm,长度50 mm的环形燃烧室,空气为氧化剂,氢气为燃料,对安装等直喷管、收敛喷管、扩张喷管和拉瓦尔喷管的连续旋转爆轰发动机的内外流场进行数值模拟。获得了不同尾喷管条件下爆轰波的传播特性和流场结构,分析了喷管构型对发动机内外流场结构和推进性能的影响。计算结果表明,不同尾喷管条件下,燃烧室内均能形成稳定传播的爆轰波;与等直喷管相比,收敛喷管和拉瓦尔喷管对燃烧室内的爆轰波的压力和传播速度具有明显提升作用,但波头高度则明显降低,安装扩张喷管条件爆轰波压力和传播速度略微有所降低,波头高度却增加。收敛喷管和拉瓦尔喷管对发动机尾部火焰具有一定的约束作用;在给定的发动机模型下,收敛喷管对发动机的推力性能提升最为显著,其推力和比冲分别为259.4 N和120.3 s,扩张喷管则降低了发动机的推力性能。     

脉冲爆轰发动机两点点火实验研究

为研究两点点火对脉冲爆轰发动机内爆轰波起爆及传播的影响,开展了脉冲爆轰发动机两点点火实验研究。实验结果表明,两点点火能有效促进脉冲爆轰发动机内爆轰的形成,能大幅提高爆轰波的峰值压力及爆轰波传播的速度。当两点点火源距离为260 mm时,两点点火时间间隔必须大于0.47 ms,爆轰发动机内才能形成促进爆轰发生的有利条件;适当增大两点点火的时间间隔能缩短缓燃转爆轰的距离,缓燃转爆轰的距离从590 mm缩短至420 mm。     

吸气式PDE点火室引入氧气的试验研究

为了改善吸气式脉冲爆轰发动机的爆轰效果,在发动机的点火室内引入了氧气,并开展了系列试验研究,研究结果表明,点火室内引入氧气,提高了吸气式PDE的爆轰波压力与传播速度,缩短了点火起爆的时间,增加了发动机的平均推力,简化了发动机内的强化燃烧装置。与纯空气状况相比,爆轰波压力最大增加了1.28倍、爆轰波传播速度与发动机平均推力的最大增幅分别为69.57%和62.84%,点火起爆时间则相应减少了36.47%。点火室引入的氧气量存在临界值,小于临界值时随着引入氧气量的提高,发动机爆轰效果的改善越显著;大于临界值时,发动机会形成连续燃烧。     

氢氧发动机中激波与爆轰波热力参数计算分析

大扩张比氢氧发动机在地面试车时喷管中可能会出现激波,而在起动时刻燃烧室或燃气发生器中则很容易产生爆轰波,其对发动机的结构与工作状态会产生较大的影响。为准确地分析激波与爆轰波对氢氧发动机的影响,从热力参数层面进行计算分析,所有的计算都考虑热化学反应的影响。首先,在传统一维管流模型基础上引入化学平衡模型来计算和分析推进剂混合比和燃烧室压力对喷管扩张段中激波位置及热力参数影响的一般规律;然后,采用基于热化学平衡模型的C-J爆轰理论,计算和分析推进剂混合比、初温及初压对爆轰波的影响规律。计算分析表明:喷管扩张段中的激波位置与燃烧室压力呈线性关系,激波处的温度比相对于不考虑热化学反应时要低28%~38%,而压力比无明显区别,压力比与温度比在化学当量混合比时最小;爆轰波强度随着初压的升高、初温的降低而增强,在化学当量混合比时最强,初温30 K,初压1 MPa时爆轰压力最高可达220 MPa,温度可达4 500 K,波速超过3 000 m/s。得到的这两种波的规律和特点可以为发动机工程设计人员提供一定的参考。     

连续爆轰发动机的研究进展

连续爆轰发动机是一种基于爆轰波将推进剂的化学能转化成热能的新概念发动机,近年来受到世界各主要国家的高度关注。现已成功获得多种燃料长时间稳定的连续爆轰,较深入地认识了连续爆轰流场结构,初步测得推力和比冲,验证了连续爆轰发动机的性能优势并在火箭模态、冲压模态以及涡轮模态下都实现了稳定连续爆轰。对连续爆轰发动机的工作原理,以及近年来世界各主要国家在连续爆轰发动机的基础研究和应用研究方面取得的代表性成果进行了综述,并给出尚待解决的问题,为其进一步工程化应用提供参考。     

铝粉浓度对汽油-纳米铝粉悬浮液滴多相爆轰影响的一维数值计算

采用带化学反应的一维多相流模型,运用CE/SE数值计算方法和处理源项的四阶龙格-库塔方法对爆轰管内汽油/纳米铝粉悬浮液滴、空气混合物的多相爆轰过程进行了数值模拟,讨论了悬浮液滴中纳米铝粉浓度对爆轰参数及燃烧转爆轰过程的影响。数值结果表明,添加纳米铝粉后,稳定传播的爆轰波速度变大;随着纳米铝粉浓度的增加,爆轰波压力峰值与...     

含铝凝胶燃料脉冲爆轰发动机工作过程瞬态特性

为了解含铝凝胶燃料脉冲爆轰发动机工作过程的瞬态机理,建立了含铝凝胶燃料脉冲爆轰发动机数学物理模型。采用守恒元与求解元数值计算方法,对单循环含铝凝胶燃料脉冲爆轰发动机流场进行了数值仿真,分析了其爆轰反应过程与冲量产生过程的瞬态特征。计算结果表明,爆轰波作用下,凝胶燃料液滴变化以剥离破碎为主,燃料液滴中铝颗粒随液滴剥离弥散于爆轰管内并参与反应,累积在最后阶段反应的铝颗粒较少。凝胶燃料爆轰燃气排放过程可划分为爆轰附着膨胀、燃气"壅塞"膨胀和膨胀减弱等3个典型特征阶段。研究结果对凝胶燃料脉冲爆轰发动机的应用研究具有参考意义。     

压力波对垂直管低温气液掺混冷凝的影响

为了分析高压补燃液氧煤油发动机氧泵间管内气液两相掺混冷凝及其压力波传播过程,建立了可产生压力扰动的垂直管低温气液两相掺混实验系统,以氧气/液氧为实验工质,开展压力波对垂直管内低温气液两相掺混冷凝的影响研究,获得了不同压力波频率和氧气流量工况下的掺混图像,分析结果表明:压力波会使发散流型由微弱振荡冷凝向间歇振荡冷凝转变,使椭圆流型由稳定冷凝向振荡冷凝转变;在0~52 Hz不同频率压力波作用下,发散流型最大轴向冷凝长度与掺混孔径之比在10~30之间,椭圆流型的比值在8~15之间变化;压力波对气相摆动频率起主导性和正相关性的影响。     

以铝粉为燃料的脉冲爆轰发动机数值研究

研究了采用固体粉末为燃料的脉冲爆轰发动机的流场情况。运用CE/SE方法与四阶龙格-库塔法相结合,构造了以铝粉为燃料的脉冲爆轰发动机二维两相内流场的数值计算格式。数值模拟了PDE管内轴线上压力、速度随时间的变化情况,轴截面上的压力分布云图,管内固体燃料颗粒粒径随时间的变化,以及不同情况下PDE的瞬时推力和总冲量等。由此分析了固体燃料PDE管内爆轰波的传播特性,讨论了燃烧产物的物理特征、环境温度和环境压力的变化对PDE推力性能的影响。结果表明,采用铝粉作为PDE的燃料能够提供有效的推力。数值计算结果对固体燃料脉冲爆轰发动机的研究具有重要的理论指导意义。     

内并联式TBCC进气道模态转换过程流动特性分析

针对组合动力(TBCC)进气道模态转换过程中出现的非定常气动现象,采用稳态/非稳态数值模拟方法对相关流动特性及其影响因素与流动机理开展了研究。结果表明：由涡轮发动机工作状态向冲压发动机工作模态转换过程中,进气道内出现结尾激波沿流向前后振荡现象,振荡频率约为130Hz;当冲压流道反压引起的激波未前传至模态转换分流板前时,冲压发动机工作状态对结尾激波振荡不产生影响。在相同的发动机工作状态下,随着模态转换速度的增加,结尾激波振荡频率逐渐增大。文中研究的进气道内结尾激波振荡现象可通过亚声速管道内波的传播理论进行解释和分析。     

爆震波点火器在氢氧塞式喷管的工程应用

建立了氢氧爆震波点火器试验系统,并根据试验塞式喷管发动机工作状态要求设计了爆震波点火器。在高空条件下(0.005￣0.002MPa),爆震波点火器供气压力0.3MPa、混合比3左右,对爆震波点火器的点火性能进行了试验,成功实现了高空条件下爆震波点火火炬。在同样高空条件下对爆震波点火器点燃单元塞式喷管试验发动机成功进行了点火试验。试验结果表明,氢氧爆震波点火器能以较低的供气压力实现可靠点火。爆震波点火器在气氢气氧单元塞式喷管试验发动机点火的成功应用,为下一阶段应用于多管塞式喷管发动机的实际点火试验提供了技术基础。     

液氢/液氧火箭发动机尾焰流场特性仿真研究

为研究液氢/液氧发动机燃烧尾焰射流流动特点,采用耦合了Realizable k-ε湍流模型、液氢/液氧单步化学反应的N-S方程,化学反应速率采用湍流脉动机制和Arrhenius机制控制,运用PISO算法对液氢/液氧火箭发动机在地面发射阶段的燃烧尾焰射流流场进行了一体化仿真计算,得到了液氢/液氧发动机燃烧尾焰射流近场激波系结构,并与理论分析结果进行对比,证明了算法的有效性和正确性。分析了燃烧尾焰压力场的动态形成过程,捕捉到尾焰半球形冲击波的发展过程,并认为冲击波为正激波且进行匀速传播。获得了尾焰流场各项参数的分布情况,为开展燃烧尾焰射流的辐射计算提供数据基础。     

富氢燃气与液氧爆轰及补燃特性试验研究

为了研究富氢燃气与液氧之间的爆轰及补燃特性,以某发动机故障归零为依托,采用试验研究的方法,分析了非预混和预混两种情形下发生爆轰的可能性,探究了富氢燃气与液氧自动发生补燃的条件。通过分析试验现象和试验结果发现,在较低混合比和较低温度条件下富氢燃气与液氧不会自动发生补燃,火焰颜色呈无色透明状,白天不可见。管内预混状态下,富氢燃气和液氧可以发生爆轰,最大爆轰压比约34,且持续时间为毫秒级,在上游无预混物的情况下,爆轰波不会持续向上游传播。     

基于流场探测的发动机喘振控制仿真研究

为使冲压发动机性能最优并始终工作在安全状态,需要使其工作的喘振裕度最小且在喘振边界内。在喘振边界安装一种能够准确分辨超声速或亚声速流场状态的流场探测装置,控制进气道结尾激波位置。针对一维变截面流动控制方程,研究了流场探测装置的安装位置,以及激波越过流场探测装置后控制系统的减油规律。仿真研究结果表明,用试验数据修正理论仿真的方法可以准确地捕捉进气道结尾激波,同时根据某型冲压发动机的设计临界喘振裕度,确定了流场探测装置安装位置位于距进气道锥尖的距离;进气道沿程压力跟随发动机燃油流量的变化而变化,压力波传播时间相对于燃油调节时间可以忽略;由于进气道内激波前后运动存在明显的压力滞环现象,当激波越过喘振边界时,进气道出口压力会进一步上升,发动机喘振危险加大,应使用加速电磁阀快速减小燃油流量,控制激波回到安全区域。     

弹丸速度对超爆轰冲压加速器性能影响

为研究超爆轰模态冲压加速器的推进性能，采用混合的Roe/HLL（Harten, Lax, Van Leer）格式，结合自适应网格加密技术(AMR )与沉浸边界法(IBM )，数值模拟了弹丸速度高于预混可燃气体C-J爆速的冲压加速器流场，揭示了弹丸速度对流场结构与推力的影响。结果表明当弹丸速度在一定范围时，斜爆轰波可驻定在弹丸肩部或头部，在弹丸尾部形成高压区加速弹丸，并且，斜爆轰波驻定在弹丸头部推力更高，稳定工作的速度范围 更宽 。     

环形燃烧室中自燃推进剂的非稳态旋转爆震现象

为研究环形燃烧室中自燃推进剂旋转爆震波的传播特性,以一甲基肼和四氧化二氮为推进剂,在圆环形燃烧室中组织旋转爆震燃烧。燃烧室外径和内径分别为60 mm和30 mm,采用了24对撞击式喷嘴,四氧化二氮的喷孔直径为0.4 mm,一甲基肼的喷孔直径为0.3 mm,通过高频脉动压力传感器记录了旋转爆震波的传播过程。研究结果表明:自燃推进剂的旋转爆震燃烧过程具有高度非稳态特性,不仅各个旋转周期之间存在明显差异,而且同一个传播周期内旋转爆震波的强度也是动态变化的;对于自燃推进剂的旋转爆震燃烧的产生及维持过程来说,外界激励不起决定性作用,燃烧室几何构型、流量和混合比对旋转爆震燃烧的影响更大。     

超声速进气道及冲压发动机动态特性分析

基于小偏差线性化思想,利用超声速进气道动力学模型计算得到,进气道激波位置和波后压力的响应幅值随频率增大整体趋于减小,但在各阶纵向谐振频率上存在谐振峰。并进一步考虑了燃烧室加质燃烧,分析了冲压发动机气路动态特性,推导出适用于冲压发动机的集中燃烧模型,研究表明在燃油喷注流量的扰动下,冲压发动机幅频响应谐振峰显著。