旋转爆轰发动机燃烧室的燃烧与流动特性研究

设计了一台爆轰环腔外径100mm、内径80mm、长117 mm的不带有尾喷管的旋转爆轰发动机燃烧室，并进行了实验和数值模拟研究，来了解不同当量比下的燃烧和流动特性。在该燃烧室头部，空气通过60个直径2mm孔轴向喷射，氢气通过2mm宽环缝喷射。氢气和空气最大供给总压分别可达12和10.5MPa。实验发现，当量比大于2时，燃烧发生在燃烧室以外，为爆燃；当量比接近于1时，燃烧室内存在多个反向旋转爆轰波，爆轰波平均速度较低，不超过1000m/s；当量比小于0.58时，仅有一个爆轰波准稳态旋转。在当量比为0.55时，旋转爆轰波传播速度为1274m/s。在当量比为1时，进行了17s无热防护的旋转爆轰发动机实验，未发现燃烧室有明显烧蚀。数值模拟表明在流量为400g/s时，有3个爆轰波同向旋转，外壁面侧传播速度约为1998m/s。     

地下原型坑道中油气爆炸的实验研究

在截面积为7.2m~2,长为700m的地下原型坑道中进行了油气混合物的爆炸实验,实验中使用了加速油料挥发气化的雾化装置以及远距信号传输和采集系统。通过光电火焰传感器和压阻传感器测试爆炸过程中火焰和压力信号,得到了地下原型坑道中油气爆炸过程的基本参数,揭示了爆炸过程中组分、湍流对燃烧与压力波发展影响的规律。     

一种缩短碳氢燃料-空气混合物点火延迟的方法

采用激波风洞-激波管组合设备对预混的碳氢燃料——空气混合物的点火与超声速燃烧进行了研究。为缩短碳氢燃料-空气混合物的点火延迟时间，通过激波风洞喷管入口与接触面之间的激波反射对经过雾化与气化的碳氢燃料(汽油)进行预热；此外，由燃烧驱动激波管产生的高温燃气作为引导火焰点燃激波风洞产生的预混与预热的超声速碳氢燃料——空气混合物。采用纹影系统对超声速可燃气流中的火焰传播进行流场显示。实验结果表明，上述方法可将碳氢燃料——空气混合物的点火延迟时间缩短至小于0.2ms，同时还得出了火焰相对于超声速可燃气流的传播速度。     

气云爆轰

气云爆轰实验研究在一根专门设计的管中进行，通过对压力波和火焰阵面的测试，研究激波的成长与发展过程，气云爆轰的爆速及其影响因素以及激波后的点火诱导时间。理论研究考虑了液滴在高温、高压和高速气流中的变形、剥离和破碎，液滴的点火和局部爆炸以及气云爆轰的Ｃ－Ｊ判据。据此进行的计算进一步揭示了气云爆轰的松弛结构。爆速的计算值与实验值基本相符。     

惰性粉尘抑爆过程的实验研究

在长 9m ,内径 0 .1 4m的燃烧管内进行了CaCO3颗粒对H2 O2 混合物中发生爆炸过程的抑制作用的实验研究。该管分为三部分 :激波成长段 ,抑爆段和抑爆后观察段。其中抑爆段装有 1 0套可形成均匀颗粒悬浮流的喷粉系统。实验结果表明 ,仅当颗粒浓度大于某值时 ,才可能有效抑制爆炸 ,否则爆炸波会在抑制后重新成长。笔者还基于两相化学反应流的基本方程 ,通过分裂方法 ,全耦合TVD格式和Lax Wen droff Rubin格式对粉尘抑爆现象进行了数值模拟 ,计算结果反映了惰性颗粒作用下激波的变化过程 ,其结果与实验结果一致     

管道相连泄爆容器中粉尘爆炸的实验研究

采用管道相连容器进行了工业规模的粉尘爆炸实验,目的是研究粮食粉尘在管道相连的加工和输送工业设备中发生粉尘爆炸时火焰和爆炸压力的传播过程及粉尘的Kst值对爆炸的影响.实验装置为一个气力输送系统,由两个不同体积的容器通过管道连接构成.采用粮食工业上具有代表性的两类粉尘进行了粉尘爆炸测试,爆炸从一个容器中通过管道传播到另一个容器中并引发了随后的二次爆炸,测试了不同位置的火焰和压力信号.实验结果表明:即使在起爆容器采取了泄爆措施,管道中没有粉尘喷入的情况下,粉尘爆炸火焰也可沿管道传播达30m并引发二次爆炸;随着粉尘爆炸指数的增大,初始爆炸的猛烈程度增强,火焰传播速度加快,二次爆炸的猛烈程度也随之增强.     

氢氧爆轰直接起始的射流点火方法研究

为探讨氢氧爆轰驱动激波风洞中的高氢混合比氢氧混合气直接爆轰的点火方法，对射流点火管的点火能力进行实验研究发现，点火管长度是决定射流点火能力的关键因素，射流点火能力随点火管长度的增加而增强。点火管与爆轰管之间无隔膜，结构简单，操作方便。同时观察了点火管中增添孔板对射流点火能力的影响，发现障碍物对射流点火能力具有减弱作用。     

圆弧激波缓聚点火及后续燃烧传播

采用激波管实验和准一维数值模拟的方法，对预混可燃气体中圆弧汇聚激波的自点火现象及后续燃烧波的传播特性进行研究。其中圆弧汇聚激波由平面运动激波通过精确设计的弧形过渡管段转变得到。研究表明:收缩段中圆弧汇聚激波波后的非均匀梯度环境由激波在平直段、弧形过渡段和扇形收缩段中传播所分别诱导的3个梯度区共同构成。随着圆弧汇聚激波的不断增强，圆弧激波后某处首先形成一个无激波的温和反应区。该反应区逆流锋面的初期运动速度远超Chapman-Jouguet（CJ）爆轰波速，而反应产物区流动则呈现出一定弱爆轰波特征。进一步分析发现，该反应锋面本质上是一种"自发反应波"（spontaneous reaction wave），而非常规意义上的动力学波，其速度与汇聚激波波后气流点火时间梯度的倒数吻合。而后，反应区的扩张速度很快降至CJ爆轰波速以下，伴随反应锋面附近激波的产生以及激波-火焰复合结构的形成。激波-火焰结构最终加速演变为反向传播的爆轰波。在一定的条件下，由于入射激波转变过程和汇聚所构造的特定点火环境，自发反应波可再次赶超爆轰波，成为新的燃烧波前；而当自发反应波速度再次低于CJ爆轰波速时，它将再次转变为爆轰波；在此过程中，原先的爆轰波阵面蜕变为反应产物中传播的激波。     

多循环脉冲爆轰发动机外流场的实验研究

利用内径为30mm,长度为1000mm的爆轰管,对多循环脉冲爆轰发动机外流场进行研究.爆轰管内充满氢气-氧气-氮气预混气,采用底端中心点火.实验中采用YA-16高速阴影系统,拍摄了爆轰外流场的阴影照片.根据实验结果,分析了外流场的动力学结构和悬吊激波产生的动力学机理,讨论了两次循环管外流场结构间的差异.第一次循环中的爆轰波溢出爆轰管后,斜压效应和Helmholtz不稳定导致涡环的产生,涡环形状的变化又引起悬吊激波的角度变化,在此过程中引导激波始终为球面形状,在第二个循环中的相应时刻,激波前的气体是向外流动的,导致引导激波逐渐成为葫芦形状.     

ADN基推力器中红外吸收光谱燃烧诊断

ADN（二硝酰胺铵盐）基单组元绿色推进技术是空间推进领域的国际研究热点，目前国内外对ADN基推进剂分解和燃烧过程缺乏统一、完善的燃烧动力学机理，尤其欠缺对推力器内部燃烧过程和关键中间产物定量信息的实验研究。本文通过发展先进中红外光谱诊断技术（QCLAS），实时诊断ADN基推进剂分解、燃烧反应中的CO，N₂O多种关键组分浓度、燃气温度等关键参数。推力器稳态点火测量结果验证了ADN推进剂催化分解和燃烧两步反应阶段理论研究，脉冲点火下组分浓度变化规律呈现与脉冲序列一致特性，验证了推力器正常工作的稳定性和可靠性。基于测量结果初步评估了ADN基推力器性能，特征速度达1130m/s，达到同类型肼推力器标准，验证了该绿色推力器良好的应用前景。     

吸气式无阀脉冲爆震发动机试验研究

为了获得大气层内的高速巡航能力,需要发展包括吸气式脉冲爆震发动机在内的多种新概念动力装置.设计制造了完整的吸气式无阀脉冲爆震模型机,包括亚声速进气道,混合室,点火室,爆震室和喷管.采用起爆性较差的汽油和空气为推进剂,以低于50mJ的点火能量研究了模型机(除去喷管)的多循环单级起爆和爆燃向爆震转变过程(DDT),并尝试减小DDT轴向距离的方法.设计一种环缝结构来加强汽油、空气的掺混,和减小推力壁端敞口对模型机起爆的不利影响.试验表明模型机易于起爆, DDT距离在1.3m(距离点火器)左右,采用高能点火装置之后,DDT距离减为1.09m.模型机与一端封闭一端敞开的脉冲爆震火箭发动机相比,由于两端敞口,各测压点压力时域变化更加复杂,有两次上升和下降过程.     

螺旋式脉冲爆震发动机实验研究

目前以碳氢燃料与空气可爆混合物的直管爆震室存在较长的爆燃向爆震转变(Deflagration to Detonation Transition,简称“DDT”)距离,从而导致发动机整机长度过长等问题.为解决此问题,采用8种螺旋构型的爆震管替代现有国内外普遍研究的直管构型的爆震管进行了一系列实验.首先对不同螺旋结构的爆震管进行冷态流阻特性实验,得出了螺旋结构参数和流阻的关系;再结合冷态实验结果,选取4种螺旋结构进行了热态爆震实验.实验结果表明,所有螺旋结构均可获得充分发展的爆震波;螺旋爆震管缓燃向爆震转变时间随螺旋中轴线曲率半径增加而减小;相对于长2.0m的直管爆震管,螺旋爆震管DDT时间缩短了0.415~0.589ms,DDT距离沿螺旋线方向缩短了0.35m,爆震管轴向长度缩短了0.78~1.28m.     

喷嘴位置对脉冲爆轰发动机性能影响的试验研究

为了研究喷嘴位置对脉冲爆轰发动机性能的影响,设计加工了直径为80mm的汽油/空气两相脉冲爆轰发动机(PDE),在PDE文氏管内不同位置安装喷嘴,进行了冷态雾化和热态燃烧转爆轰试验,分析了马尔文激光粒度仪测得的液滴尺寸分布和动态压力传感器测得的信号。试验结果表明:喷嘴的安装位置对脉冲爆轰发动机的性能具有显著影响;喷嘴安装在文氏管喉部时爆轰管内雾化混合效果最好,爆轰波峰值压力最大为3.5 MPa,工作频率最高为30Hz;喷嘴安装在文氏管入口时爆轰管内雾化混合效果最差,爆轰波峰值压力最小为0.9MPa,工作频率最低为15 Hz;在试验范围内,改善雾化混合效果有利于提高脉冲爆轰发动机的工作频率。研究结果对脉冲爆轰发动机的设计具有参考价值。     

脉冲爆震火箭发动机关键技术和样机研究

通过对脉冲爆震火箭发动机(Pu lse D etonation R ocket Eng ine,PDRE)气动阀,气动阀和雾化喷嘴一体化设计,进行改善燃油蒸发、掺混,改善点火性能,强化燃烧等关键技术的研究,研制一台内径58 mm,长1 300 mm的PDRE原型样机。试验表明,该PDRE样机能产生稳定的间歇爆震波。根据混气充填速度的不同,以汽油/空气为推进剂的PDRE工作频率可以在25~40 H z内变化。试验对汽油/氧气为推进剂的PDRE进行研究,其工作频率可达10 H z。     

空气/酒精单喷嘴燃气发生器试验研究

针对引射系统的安全性、经济性及小型化要求，提出了一种基于航空发动机燃烧室结构的双油路燃气发生器方案，并设计、加工了单喷嘴试验件，进行了多工况下的热试车。试验结果表明，燃气发生器设计方案可行，采用高能火花塞直接点火方式可实现燃气发生器可靠点火；燃气发生器点火迅速，主要工作参数基本满足设计指标；能在较宽的流量范围内稳定工作，余气系数下限达到3.9；燃气发生器燃烧效率较高，但随着余气系数的增加而明显降低。     

促进剂对高碳数碳氢燃料点火特性的影响

在JP-10和煤油点火特性激波管实验基础上,进行了促进剂CH3NO2、CH2Cl2对JP-10和煤油点火特性影响的实验.在预加热激波管上采用缝合运行技术,获得了近7ms的实验时间.采用单色仪和光电倍增管记录点火过程中OH自由基在306.5nm发射谱强度变化作为点火发生的判据.当促进剂加入量约为JP-10的10%~20%(摩尔比),质量比为5%~12%时,实验观测到明显的点火促进作用.在1100K时,添加10%(摩尔比)CH3NO2使JP-10的点火延时时间缩短了70%.当CH3NO2的加入量占煤油的10%~15%(摩尔比),质量比约为5%~6%时,对煤油点火有明显的促进作用,在1000K时使煤油点火延时时间缩短了50%.     

低温磨料气射流加工装置的研制与实验验证

针对磨料气射流加工技术在常温下无法加工聚二甲基硅氧(Polydimethylsiloxane,PDMS)等聚合物材料的问题,提出了低温磨料气射流加工PDMS等聚合物材料的设想。设计了一套低温磨料气射流加工装置,通过改变浸没在液氮中的蛇形管长度,可以得到不同温度的低温磨料气射流。建立了蛇形管长度计算的数学模型,通过实验验证了该模型的可行性,为以后对低温磨料气射流加工进行更深入的研究奠定了基础。用不同温度的磨料气射流加工PDMS,发现常温下磨料气射流无法加工PDMS,而低温下可以进行加工。低温下加工PDMS可以提高孔的横截面质量,材料去除机理为塑性去除和脆性去除的结合。     

超临界压力正十烷对流传热实验及计算研究

针对主动冷却超燃冲压发动机的实际工作条件,利用电加热管设备开展了超临界压力正十烷流动和传热特性实验,目的在于获得适用于发动机传热设计的燃料对流传热关联式。管子材料为不锈钢、内径1.5 mm、外径3.0mm、长度1300mm。采用K型热电偶测量管壁沿程外壁温。实验中正十烷压力约4.0~4.3MPa,温度约335~870K,流量分别为0.93、1.24和1.86g/s。正十烷的流动经历了层流、过渡和湍流3种流态。采用最小二乘法拟合实验数据,获得了正十烷在3种流态下的传热关联式。通过外壁温计算值与实验值的对比,验证了本文给出的传热关联式的适用性。