脉冲爆震发动机喷管性能数值分析

采用详细的化学反应机理,对脉冲爆震发动机的不同结构喷管进行了二维轴对称单循环数值模拟.分析了爆震波在爆震室内的传播过程以及传出后的流场情况,模拟所得的爆震波参数与STANJAN值较为一致.对4种单喷管和4种组合喷管的性能模拟结果表明:扩张喷管可以产生最大的瞬时推力峰值和比冲;带引射的组合喷管产生的平均推力比单喷管产生的平均推力要大.最后对非稳态引射过程进行了分析,为提高脉冲爆震发动机的性能提供参考.      

爆震发动机扩张型引射喷管的非定常流动过程研究

为揭示PDE引射喷管的瞬态流动机理,采用带化学反应的非定常仿真方法,对使用二维扩张型引射器PDE的非定常排气过程进行分析,获得了流场结构的瞬态演化过程,并将其单循环的积分冲量与无引射喷管状态进行了对比。结果表明,仿真中形成了稳定的爆震波,其主要特性参数与理论值相差较小,并且仿真获得爆震排气过程的流动结构与试验结果吻合良好。带引射器PDE的单循环主要流动过程可以分为:爆震波产生和排出阶段、引射器主动进气阶段、爆震管第一次倒流阶段、爆震管主动排气阶段、爆震管第二次倒流阶段。相比无引射器状态,使用扩张型引射器可以使PDE单循环积分冲量增加21.76%,并且其对爆震管头壁压强、单次循环周期无明显影响。     

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。      

爆震管喷管流动数值研究

为了获得高性能的爆震管,应用时空守恒元和解元(CE/SE)法对带不同形式喷管的爆震管进行二维轴对称数值模拟,分析复杂的爆震波流场,研究喷管对爆震管性能的影响。结果表明,爆震管的推进性能的提高受喷管的长度、夹角和形状的影响,其中长喷管性能优于短喷管,收敛扩张喷管性能优于收敛喷管,钟形喷管性能优于扩张喷管。     

环形射流初始压力对激波聚焦起爆的影响分析

为了研究射流入射压力对环形激波聚焦爆震起爆的影响,以氢气和空气混合物为例,对不同射流入射压力下环形激波聚焦爆震起爆过程进行了数值模拟,结果表明,当环形射流入射强度足够大时,其形成的激波聚焦能够形成高温、高压区域,从而直接起爆爆震波;爆震管推力壁对激波具有反射加强作用,有助于爆震波的形成;环形射流入射压力存在一个临界值,低于此值时,则不能起爆爆震波.      

环形爆震波聚焦起爆

本文对三种带不同结构形式的环形预爆管的爆震发生器进行了数值模拟,来研究环形爆震波聚焦起爆现象及其气动特性。数值计算采用多组分理想气体详细的化学反应机理、二维轴对称非定常流动的Navier-Stokes方程来模拟化学动力学和流体动力学过程。研究发现用低的点火能量对环形预爆管中的燃料和氧化剂点火产生层流火焰,层流火焰在狭窄管壁的作用下完成爆燃向爆震转捩,形成环形爆震波,环形爆震波在聚焦腔经过反射、汇聚,最终引爆主爆震室中的可燃混合物;并对稳定爆震的距离和强度进行了对比研究。通过分析对环形爆震波衍射、反射、聚焦的气体动力学特性及复杂波系发展规律有了更深的认识,为进一步试验提供参考。     

稀释氩气对分叉管内爆震波绕射的影响

为了研究稀释气体Ar的浓度对爆震波从直管往分叉管绕射传播和对直管中爆震波传播的影响,采用三阶TVD迎风格式和Strang-splitting算子分裂法,对H2/O2/Ar混合物爆震燃烧进行了二维数值计算。计算结果表明:在298K,6670Pa初始条件下,四种组分比条件下,主爆震管下游由于分叉管绕射稀疏波的影响,都会产生不同程度的解耦,但是通过壁面马赫反射后,都能恢复平面爆震;在H2/O2/Ar体积比为2:1:7时,爆震波绕射进入分叉管后,爆震波解耦成爆燃火焰波;体积比为2:1:0,2:1:1和2:1:4条件下,水平爆震管中的爆震波,绕射进入垂直分叉管后,通过不同次数壁面马赫反射,能够二次起爆,解耦的爆震波恢复成为平面自持爆震波。     

二维爆震波数值模拟

针对爆震发动机的多维效应,利用CFD计算软件对单管脉冲爆震发动机进行了二维的数值模拟。以氢气和氧气混合物为例,仿真了爆震波在管内的传播过程以及传出管外后的流场情况。模拟所得的爆震波参数与文献中的计算结果和实验值基本一致,验证了模拟的正确性。爆震波传出爆震管后退化成一道激波,对该激波的流动情况进行了分析。     

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。     

一种组合动力装置爆震点火的三维数值模拟

为在组合动力中寻求一种可靠、高频的爆震起爆方法,对超声速环形向心射流产生的激波在抛物形凹面腔内形成激波会聚,并起爆爆震的过程进行了三维的数值模拟。分析了环形向心射流的发展、前导激波的碰撞、激波会聚起爆爆震波及爆震波传播过程的流场变化情况。研究发现:除了激波的强度和混合气的性质这两个关键影响因素以外,在一定条件下,几何条件对能否起爆爆震有非常重要的影响。前导激波的碰撞和激波会聚产生的压力升高要远高于温度升高。激波在凹面腔内会聚形成的高能区域能直接起爆过驱动爆震波,起爆后过驱动爆震波迅速衰退成CJ爆震波。爆震波平均波速为1929.8m/s,波后压力为1.5MPa,温度为3400K。     

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。     

环形爆震室中火焰加速数值模拟及验证

对带不同数量孔板的环形爆震室进行数值模拟,并通过试验对数值计算进行验证,来研究火焰加速现象、爆燃向爆震转变过程和不同当量比下起爆距离.数值计算采用二维轴对称非定常Navier-Stokes方程来模拟流体动力学过程.研究发现用较低的点火能量对火焰混合区的可燃气点火产生低速火焰,低速火焰向环形爆震室射流并改变方向向出口传播,火焰在孔板的阻碍作用以及火焰诱导激波和反射波的加速作用下,由层流变为湍流,湍流火焰与其诱导激波相互加强,最终引爆未燃混气;还对爆震波在孔板区的传播过程进行了分析,对不同当量比下的火焰速度和起爆距离进行了模拟研究.      

爆震发动机超声速进气道的非定常耦合流场数值研究

采用带化学反应的非定常数值仿真方法,对爆震发动机(PDE)内进气道、燃烧室、尾喷管的耦合流场进行了分析,并着重研究了爆震压力波及其反射波对超声速进气道内流动结构的非定常干扰过程,对比了3种进气道/燃烧室耦合方式下进气道流动特性的差异.结果表明:通过在燃烧室内填充以化学恰当比预混的燃料和氧化剂,数值仿真可获得稳定自持的爆震波.在爆震波压强作用下所产生的结尾波系和反射激波会发生耦合干扰作用,它们在流道内的运动传播影响了结尾波系的前传幅度.通过对比不同进气道/燃烧室耦合方式的流场特征发现:采用突扩式进气道/燃烧室连接段可利用燃烧室头部固壁的阻碍以及其对爆震高压波的反射作用将大部分的压缩气体存储于燃烧室内,进而减弱进气道与燃烧室之间的耦合干扰作用,对提高进气道的工作稳定性有利.另外,内凹式燃烧室头部段的引入还为压缩气体提供了额外的存储空间,故可以进一步缓冲爆震高压,提高进气道的稳定工作裕度.      

特征线法在脉冲爆震发动机性能计算中的应用

在x-t平面建立爆震波在爆震室内传播过程的物理模型,应用特征线算法对脉冲爆震发动机(PDE)一维非定常流进行了数值计算,在此基础上给出了脉冲爆震发动机的性能参数的计算方法。并举算例进行了计算和分析,结果表明应用特征线算法计算PDE性能是可行而且准确的。      

脉冲爆震发动机的飞行性能计算与分析

为了获得脉冲爆震发动机的飞行性能参数随飞行高度和飞行速度的变化规律,在应用最小G ibbs自由能理论建立求解爆震燃烧的平衡成分及其浓度、平衡参数的基本关系式,据此对爆震波特性参数进行数值模拟的基础上,通过引入进气道和尾喷管建立了一定飞行状态下的多管自吸气式脉冲爆震发动机理论性能计算模型,对脉冲爆震发动机的性能随飞行高度、速度的变化趋势进行研究。结果表明,在不同飞行高度和飞行马赫数的状态下,脉冲爆震发动机性能有一定的变化规律,同时模型也考虑了加入尾喷管对性能的影响,为脉冲爆震发动机的性能分析与理论设计提供了依据。     

汽油/空气两相脉冲爆震发动机触发爆震的研究

有效的触发爆震波是脉冲爆震发动机正常工作的关键所在。为了在多循环两相脉冲爆震发动机的缓燃到爆震转变过程中,有效的控制激波反射,成功的触发爆震。通过在爆震室内合理的排放障碍物来促进激波与火焰的相互作用,组织激波反射,适时的触发爆震,从而有效地缩短促发爆震的距离,并最终获得充分发展的爆震波。试验发现爆震管内同样的障碍物在不同的位置起到的作用不同。在直径58 mm,长度1275 mm的汽油/空气PDE爆震管内成功触发频率为50 Hz的爆震。      

两相脉冲爆震发动机模型试验研究

为了探索气－液两相脉冲爆震发动机模型内特征参数对产生爆震波的影响规律，系统地测试了以汽油为燃料、以空气为氧化剂的气－液两相脉冲爆震发动机模型在不同点火频率及不同余气系数下爆震波的峰值压力以及平均爆震波速，并对其变化进行了分析。通过分析实验结果发现，当余气系数σ增大时，爆震波发动机性能下降，在爆震室长度一定时，点火频率等于脉冲爆震频率。     

激波聚焦诱导气液两相爆震燃烧的数值模拟

对以激波聚焦和增加障碍物方式诱导煤油-空气气液两相爆震燃烧的过程进行了数值模拟.采用欧拉-拉格朗日方法建立了脉冲爆震发动机(PDE)中气液两相流的喷射、雾化、掺混过程.研究发现环形爆震波在爆震管凹腔内经过反射、汇聚后能够引燃可燃混合物.而在障碍物处,激波的反射和再反射聚焦能够形成高温高压点(2700K,25MPa),产生局部爆炸,有助于形成稳定的脉冲爆震燃烧(波面速度为1900m/s,温度为2 950K),有效地缩短由缓燃向爆震转变(DDT)距离至0.45m.