进气掺氢对爆轰波参数影响的试验研究

为研究氢气对气液两相脉冲爆轰发动机内爆轰参数的影响,对进气掺氢的脉冲爆轰发动机进行了试验研究,实现了发动机的稳定工作。研究发现,进气中掺混氢气对爆轰波参数有较大影响,氢气进气压力为0.1MPa时,掺氢后爆轰波的峰值压力和速度均明显提高,爆轰波速度由1045.9m/s升高至1846.2m/s,发动机尾部位置上爆轰峰值压力从1.9MPa上升至4.5MPa,爆轰波后平台压力提高了0.2~0.6MPa;当氢气进气压力由0.1MPa增加至0.22MPa时,爆轰波速度随之增大。进气掺氢后燃烧转爆轰位置提前,有利于减少燃烧转爆轰的距离,进气掺氢的脉冲爆轰发动机能在较少扰流片(5片扰流片)情况下起爆,但当扰流片少于5片时,发动机内未能正常起爆。     

进气温度和当量比对脉冲爆轰发动机工作过程影响

为了研究进气温度和当量比对脉冲爆轰发动机工作过程的影响,建立了带简单化学反应的气液两相爆轰欧拉-拉格朗日模型,使用二维时空守恒元与求解元(CE/SE)方法和变步长4阶龙格-库塔法分别求解气液两相爆轰方程.计算结果表明:提高进气温度,能加速液滴雾化、蒸发,缩短燃烧转爆轰距离和时间,但是会降低爆轰波的峰值压力;当量比小于1.1时,增加当量比,能缩短燃烧转爆轰距离和时间,提高爆轰波的峰值压力,加快爆轰波传播速度;当量比大于等于1.1时,增加当量比,能小幅提高爆轰波速传播度和缩短燃烧转爆轰距离和时间,但对爆轰波的峰值压力影响很小.      

固体推进剂燃烧转爆轰模拟计算研究

采用一维分离两相流反应模型以及变步长跳步差分计算格式,模拟了固体推进剂的燃烧转爆轰过程。计算结果详细、合理地描述了推进剂在燃烧转爆轰过程中的流场分布情况。文中建立了确定诱导爆轰距离(L_(DDT)的方法,由该法所得L_(DDT)的值与实验值符合得较好,其误差小于15％。     

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。     

混合室结构对脉冲爆轰发动机工作过程影响的试验研究

为了改善两相脉冲爆轰发动机内燃油雾化混合效果,通过试验研究了文氏管、挡板、掺混器、文氏管和挡板组合、文氏管和掺混器组合这五种不同的混合室结构对管内雾化混合和燃烧转爆轰过程的影响。试验结果表明:两种组合型混合室结构的雾化混合效果优于其他三种混合室结构。文氏管和挡板组合虽然雾化效果稍弱于文氏管和掺混器组合,但是径向液滴分布上更为合理;低频时,安装文氏管和挡板平均压力峰值最高能达到4.4MPa;高频时,安装文氏管和掺混器工作频率最高能达到32Hz;在试验范围内,改善混合室结构,形成雾化效果好和分布合理的可爆混合物有利于提高脉冲爆轰发动机的工作频率。     

与爆轰相关的湍流燃烧

爆轰具有较高的燃烧效率,当应用于推进系统时,有较宽广的前景,故引起国内外学者广泛的关注。与爆轰有关的两个重要现象是——爆轰的生成和传播。爆轰的生成分为直接起爆和间接起爆。直接起爆需要极高的能量,因此间接起爆一直是研究的热点,其中爆燃转爆轰(deflagration-to-detonation transition,DDT)则是关注的重点。然而,经过几十年的实验、理论和数值研究,DDT的机理已被理解,但是准确的预测还无法实现,这其中最核心的因素是湍流燃烧。对于爆轰波的传播,特别是高活化能的可燃气体,其波阵面呈强不稳定结构,存在湍流燃烧,波后出现的未燃气团的燃烧也属于湍流燃烧,这使得爆轰波的精确控制也存在较大的困难,但是爆轰波传播的平均速度仍然可以用CJ速度来预测。本文对DDT和爆轰波结构中的湍流燃烧的研究现状进行了分析和评述,并对未来的研究进行了展望。     

高密实颗粒药床燃烧转爆轰的数值模拟

在实验基础上建立起描述多孔固体推进剂中燃烧转爆轰过程的一维反应两相流模型。用Ｍａｃ Ｃｏｒｃｍａｋ有限差分格式和自适应网格技术数值求解了控制方程。数值结果表明，在燃烧转爆轰的各个阶段，颗粒床都存在不同程度的动态压缩，压缩波和燃烧波的相互作用是燃烧向爆轰转变的内在原因。数值预测与实验结果进行了比较，两者有相当的一致性。     

环缝宽度对两相旋转爆轰波压力与频率特性影响实验研究

为了研究空气喷注环缝宽度对两相旋转爆轰波压力与频率特性的影响,通过改变环缝宽度与当量比开展了大量实验研究。旋转爆轰发动机环形燃烧室外径、内径以及长度分别为204mm、166mm和155mm。汽油和高温空气采用高压雾化喷嘴与环缝对撞喷注的方式进行混合,以此提高推进剂的掺混效果与活性,发动机采用预爆轰管作为点火装置。实验通过燃烧室内测得的高频动态压力信号,对两相旋转爆轰波的传播稳定性、压力特性以及频率特性进行了详细分析。实验结果表明:在不同环缝宽度下均实现了高总温空气与汽油的两相旋转爆轰。当环缝宽度为3mm和4mm,旋转爆轰波平均峰值压力与传播频率均随着当量比增大而增大;增加环缝宽度至6mm,爆轰波传播稳定性变差,平均峰值压力与传播频率随当量比先增大后减小。当环缝宽度为4mm,获得的旋转爆轰波平均峰值压力最高,压力脉动强度最小,爆轰波传播稳定性最强。在一定工况范围内,增加当量比可有效降低爆轰波峰值压力脉动强度。此外,随着空气环缝宽度的增加,爆轰波传播频率整体降低。当环缝宽度为3mm,当量比为1.19时,爆轰波以单波模态在环形燃烧室内连续旋转传播,平均传播速度约为1176.6m/s,爆轰波传播速度存在严重亏损。     

考虑燃料雾化的气液两相连续旋转爆轰数值模拟

为研究气液两相连续旋转爆轰发动机燃烧室内爆轰波的传播特性,以汽油为燃料,富氧空气为氧化剂,建立了欧拉-拉格朗日模型进行二维数值仿真,其中气相方程采用时空守恒元与求解元方法求解,液相方程采用标准四阶龙格库塔法求解。在两相旋转爆轰模型还考虑了液滴雾化破碎过程。计算结果表明：起爆后形成的初始爆轰波经过初始燃料填充区域后逐渐衰减,随后入口附近新生成的压力波经过一系列发展形成了自持稳定传播的旋转爆轰波;旋转爆轰波的传播模态受燃料与氧化剂的喷注压力和氧化剂填充比影响,在不同工况下旋转爆轰波呈现出4种传播模态,即稳定单波模态、稳定双波模态、不稳定双波模态和不稳定单波模态;在双波模态工况下,燃烧室内初始只形成1个爆轰波,后由入口附近局部爆炸产生的压力波发展为新的爆轰波,转化为双波模态后爆轰波的强度略有下降,但燃烧室整体推力更加平稳。     

磁流体加速技术对脉冲爆轰发动机增推影响的二维数值研究

为了研究磁流体加速技术对脉冲爆轰发动机增推过程的影响,利用含磁流体运动的气液两相爆轰模型,同时采用CE/SE方法对含磁流体加速装置的脉冲爆轰发动机点火、爆轰及排气过程进行数值研究。模拟带磁流体加速器的脉冲爆轰发动机流场,揭示磁流体加速器的增推过程,分析磁流体加速器在不同磁感应强度及管长条件下对脉冲爆轰发动机推进性能的影响。计算结果表明:磁流体加速装置能够实现对脉冲爆轰发动机的推力补偿作用。磁感应强度及加速段管长增加,脉冲爆轰发动机的平均推力得到显著提高。加速段管长0.4m,磁感应强度2T时,平均推力可提高30.457%,此时推力提升率达到最大。     

爆震管内爆燃到爆震转捩过程的实验研究

基于常温常压轴向进气条件下气动阀式两相爆震发动机模型开展爆燃到爆震转捩过程的研究，利用离子探针和高频压力传感器测量了管内火焰传播速度和燃烧压力波。研究结果表明，管内爆震波形成的初始位置在正常火焰面下游的一定位置处，如假设爆震管内波和火焰面是一维的，则在爆震波产生的最初一段时间内，爆震管内将出现三道火焰面：往出口方向传播的正常火焰面和爆震波火焰面及往进口方向传播的回传爆震波火焰面。     

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.     

爆震管内扰流片对爆震波影响的数值分析

为了研究扰流片对两相爆震过程中燃烧转爆震的影响,建立两相低雷诺数湍流爆震模型,应用二维粘性CE/SE方法进行数值求解。结果表明,爆震波压力计算值与实验压力值符合得较好,扰流片的存在能显著缩短燃烧转爆震的时间;且对一固定尺寸的爆震管,扰流片的片数和间距都存在最佳值,使得燃烧转爆震时间最短。     

脉冲爆震火箭发动机高频实验研究

为了研究脉冲爆震发动机的高频工作特性,以航空煤油和压缩氧气为推进剂,采用爆震增强装置,增大推进剂供给压力以及增大电磁阀控制气压力等措施,在脉冲爆震火箭发动机模型上进行了实验,成功获得45Hz时的爆震压力波形。实验结果表明,频率增高,爆震波峰值压力下降,有利于加速缓燃向爆震的转变(Defla-gration to Detonation Transition,DDT)。当爆震充分发展时,爆震波波速基本不变,峰值压力上升时间趋于定值。工作频率为45 Hz时,爆震波峰值的压力为3.2 MPa,爆震波的波速为1 715.5m/s。     

螺旋脉冲爆震室实验

为缩短脉冲爆震室轴向长度以及爆燃向爆震转变距离,设计加工了螺旋脉冲爆震室,采用液态汽油为燃料,空气为氧化剂,进行了一系列实验.在实验过程中,对比研究了常规直管脉冲爆震室以及螺旋脉冲爆震室的爆燃向爆震转变性能;并分析研究了螺旋脉冲爆震室多循环工作特性.结果表明:与直管脉冲爆震室相比,螺旋脉冲爆震室爆燃向爆震转变距离至少缩短了约11.2%;螺旋脉冲爆震室可以在5~20Hz频率下稳定工作;螺旋脉冲爆震室设计方案可行.      

中心锥体结构脉冲爆震火箭发动机初步实验

为了改善采用液态燃料的脉冲爆震火箭发动机内部燃料的雾化以及燃料混合物的掺混状况,采用了一种中心锥体结构.该结构发动机不采用Shchelkin螺旋增爆装置,而采用中心锥体结构、二级供应方式.采用航空煤油为燃料、压缩氧气为氧化剂、压缩氮气为隔离气体,在该结构脉冲爆震火箭发动机上获得了充分发展的爆震波并且能够在多循环条件下稳定工作.实验结果表明,该结构可以大大缩短DDT(deflagration to detonation transition)距离,在实验条件下爆燃向爆震转变距离约为管径的5倍.较之同一管径采用Shchelkin螺旋增爆装置的脉冲爆震火箭发动机,该结构发动机的爆燃向爆震转变距离缩短了57.5%.      

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。      

无阀式脉冲爆震火箭发动机运行稳定性实验

以无阀模式运行时,脉冲爆震火箭发动机可达到更高的运行频率,但容易出现连续燃烧、点火不成功以及运行频率与点火频率不一致等运行不稳定问题。为探索供给条件对运行稳定性的影响,采用乙烯为燃料、富氧空气为氧化剂,开展了实验研究,分析了氧化剂中氧气体积分数对运行稳定性的影响。结果表明,采用氧气体积分数分别为40%和66%的氧化剂时,当量比范围分别为1.2~1.7和0.8~2.3时才能产生稳定的爆震波;采用氧气体积分数66%的氧化剂时,可获得稳定爆震波的当量比范围较宽;稳定产生爆震波时,爆震管封闭端附近的压力振荡会向供给通道的上游传播,造成通道内介质的流动振荡,振荡频率与运行频率呈倍数关系;爆震波不稳定产生条件下,供给通道内的流动振荡表现为无规律的低频振荡,该振荡加剧了无阀无隔离模式运行的不稳定,故有必要在供给通道内加装压力反传抑制装置。     

点火能量等因素对脉冲爆震室压的影响实验

以汽油／空气两相混气为可爆混合物，采用汽油机点火和半导体高能点火系统，实验研究了不同点火频率对脉冲爆震室中不同位置脉冲爆震波压力的影响，结果发现，充满度大，产生的紊流强度大，有利于爆震波的形成；在大多数情况下，用低能量（50mJ）的点火系统点火时，点火频率大于实际产生的爆震频率；用高能（IJ）点火系统时，可缩短烯向爆震转变（DDT）的距离，易产生爆震，所得爆震波的峰值压力明显增大，所得结果可为脉冲爆震发动机的设计、爆震点火系统选型提供重要参考。