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。     

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。     

燃烧室长度对液态燃料旋转爆轰发动机性能影响实验研究

为了研究燃烧室长度对液态燃料旋转爆轰发动机性能的影响,在环形阵列式连续旋转爆轰发动机上,以汽油/富氧空气为工质,详细分析了不同燃烧室长度下爆轰波传播模态、平均压力峰值和传播速度的变化特征。测量了发动机模型在不同燃烧室长度下的一维推力,分析了推力和燃料比冲的变化趋势。实验结果表明:出口背压为大气压时,空气流量为762.9g/s,氧气流量为182.4g/s,汽油流量为84.3g/s,当量比为0.82,燃烧室长度L=235mm工况下爆轰波为稳态双波对撞模态,平均压力峰值和传播速度分别为0.9MPa和1068m/s,爆轰波传播频率为2.223kHz。当L235mm时爆轰波为非稳态双波对撞模态,平均压力峰值变化较小,传播速度随着燃烧室长度变短而降低。仅在L=135mm工况下,爆轰波传播速度略高于L=155mm工况点,推力和燃料比冲分别为579.5N和701.5s。当155mm≤L235mm时推力和燃料比冲随燃烧室长度增加而缓慢增大,L=235mm时推力和燃料比冲分别为607.3N和735.1s,L235mm时推力和燃料比冲变化趋于平缓。     

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。     

旋转爆轰燃烧室高度对流场影响

为了研究旋转爆轰燃烧室几何结构对旋转爆轰波的影响规律,针对旋转爆轰燃烧室高度对爆轰流场结构和爆轰波传播特性问题,采用2维数值模拟方法分析了爆轰波在4种高度的燃烧室内的参数变化和波系特征。结果表明:在4种高度的燃烧室内爆轰波均能自持传播,且爆轰流场结构相似;当燃烧室高度为4 mm时,爆轰波后的反射激波压力较高;在一定范围内,爆轰波传播速度随燃烧室高度的增加而增大,在爆轰波高度为10、16和20 mm时,爆轰波波锋面的压力分别为3.93、4.61、4.69 MPa。     

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.      

基于OpenFOAM的三维H2/Air连续旋转爆轰流场数值模拟

为进一步研究旋转爆轰流场特征,基于开源计算流体动力学软件OpenFOAM,采用9组分19步的基元化学反应模型,对H2/Air连续旋转爆轰流场进行了三维数值模拟,得到了旋转爆轰波稳定传播时燃烧室内部流场的详细结构,研究了燃烧室头部激波的传播特性,分析了旋转爆轰燃烧室的压力增益性能。结果表明:旋转爆轰波后的第一道反射激波在由燃烧室外壁面向内壁面传播过程中反射激波的高度增加并在靠近内壁面附近与滑移线交汇形成局部高温高压区域;旋转爆轰波在外壁面位置处相位约落后于内壁面0.003rad～0.15rad,其相位差随燃烧室曲率差的增加而增大;燃烧室头部反射激波数目受到曲率差和进气总压的影响,燃烧室曲率差增大,反射激波数目减少,进气总压增大,反射激波数目增多;燃烧室压力增益保持在0.3以上,在进气总压一定的条件下,压力增益随着燃烧室曲率差的增大有增加的趋势。研究结果揭示了三维旋转爆轰流场的精细结构和燃烧室头部激波的传播规律。     

旋转爆轰波中多波流动模式的数值研究

为了研究旋转爆轰燃烧室内复杂的波系结构,特别是爆轰波多波传播模式的影响因素,采用两步诱导-放热总包反应模型,对简化的二维旋转爆轰波进行数值模拟。在不考虑环形爆轰燃烧室曲率的情况下,研究了进口总温和周向尺寸对单波及多波流场结构的影响。结果表明,一定范围内进口总温的增加会使得爆轰波的波头数目增加,且双波流场结构中存在双波对撞和双波同向两种传播形式,双波同向传播和三波同向传播之间则稳定存在着两组双波对撞流场,且有对应的温度范围;对于双波对撞模式,持续减小周向尺寸能够使得流场结构转变成单波模式;周向尺寸的增加则会使得双波对撞向双波同向传播模式转变。     

连续旋转爆轰燃烧室增压特性的数值研究

为了分析爆轰燃烧室几何尺寸对增压特性的影响,利用二维欧拉方程数值研究了当量H2/Air在连续旋转爆轰燃烧室中的燃烧流场情况。研究表明:在准稳定状态下爆轰燃烧流场特征参数随时间呈周期性振荡,且其振幅保持不变;横波及局部爆炸波的存在是爆轰波后侧附近总压沿x轴呈现波动变化的主要原因;影响连续旋转爆轰燃烧室增压特性的直接因素为斜激波的高度及爆轰波强度,减少轴向尺寸或增加周向尺寸可增强其增压特性。连续旋转爆轰燃烧室的增压比高达2.52,与传统的燃烧室相比,大大提高了燃气的做功能力。     

圆柱坐标系下连续旋转爆轰发动机的数值模拟

使用两步化学反应模型对连续旋转爆轰发动机(Continuous rotating detonation engine,CRDE)进行了二维数值模拟研究。数值计算获得了同轴圆管腔中间层曲面上连续爆轰的多个循环过程。分析了燃料入射、提前燃烧、爆轰波结构和波传播速度等几个关键问题。计算获得燃烧室内流场结构与之前实验研究结果定性符合。计算中燃料以最大1400m/s沿轴向入射,爆轰波可约以2400m/s沿周向连续循环传播。计算的燃烧室内爆轰波循环频率约为2300Hz。     

轴向长度对旋转爆震发动机的影响

采用9组分19步基元反应模型,不考虑黏性、热传导和扩散效应等对流动的影响,对以氢气和氧气为反应混合物的旋转爆震发动机内流场进行计算,研究轴向长度对发动机性能的影响.研究表明:在一定范围内轴向长度对发动机比冲影响很小,轴向长度过长时会降低发动机比冲.轴向长度对爆震波的压力形成影响很大,轴向长度过小时,爆震波压力不高,过大时,会导致斜激波压力衰减.随着轴向长度的增加,由于膨胀的作用,出口的压 力不断降低,轴向长度为200mm时,出口的平均速度最大,此时发动机比冲也达到最大值;周向速度明显减小,降低了周向速度对发动机的不利影响;推力密度峰值逐渐下降;激波前后密度差逐渐减小,这使发动机的推力偏心矩也不断降低,从而可有效地减小角散布等不利影响.      

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.     

燃烧室轴向长度对旋转爆震发动机性能的影响

采用氢氧单步化学反应模型,对以当量比为1.0的氢气空气预混气为反应物的旋转爆震发动机（RDE）进行了数值模拟,系统研究了燃烧室轴向长度对RDE性能的影响.通过详细分析燃烧室进出口气体状态参数,揭示了燃烧室轴向长度对发动机影响的内在机理.研究结果表明:燃烧室轴向长度过短时,爆震波的形成不够充分;在发动机推力中,动量推力占主要部分;在计算的燃烧室轴向长度范围内,发动机的比冲为5410~5566s,燃烧室轴向长度对发动机比冲的影响较小.      

旋转爆震冲压发动机总体性能分析

为了快速可靠地评估旋转爆震冲压发动机的总体性能,针对冲压模态下的旋转爆震发动机建立了性能分析模型。模型以飞行条件和冲压发动机关键几何参数作为输入参数,结合气体动力学和C-J爆震理论,获得旋转爆震燃烧室的流场参数分布以及发动机喷管排气参数,输出发动机推力以及燃料比冲,建立了基于连续旋转爆震的冲压发动机性能评估方法。模型参与反应的燃料和氧化剂分别为煤油以及空气,主要研究了燃料温度、喷管喉部面积、燃烧室环面面积、反应物当量比、飞行马赫数以及飞行高度对发动机燃料比冲、推力的影响趋势。研究结果表明,控制其它变量不变,发动机推力与燃料比冲随燃料温度上升而提高;随喷管喉部面积、燃烧室环面面积减小而增大;随飞行高度增加而降低;燃料比冲随当量比、马赫数增大而减小,而推力随当量比、马赫数增大而增大。在高度为25 km、马赫数为4、当量比为0.6的工况下,发动机燃料比冲可达到1 740 s。分析结果表明,模型计算方法可靠,可快速计算出旋转爆震冲压发动机的推力性能,为旋转爆震冲压发动机的设计提供可靠参考。     

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。      

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。     

旋转爆震波发动机二维数值模拟

采用一种改进的化学非平衡流解耦方法对Euler反应流方程解耦处理,对流项采用五阶WENO格式离散,化学反应源项的刚性采用简化的隐式方法处理,时间步进采用二阶精度的Runge-Kutta方法,对H2/Air预混气旋转爆震发动机内流场进行了二维数值模拟。模拟结果给出了不同发动机尺寸条件下的详细起爆过程,结果表明当发动机尺寸小于临界直径时无法成功起爆;详细分析了流场结构和爆震波形状,旋转爆震波的传播速度与理论预测值吻合;性能分析结果表明在喷注总压低于燃烧室平均压力时仍可实现推进剂喷注,没装尾喷管的情况下发动机比冲达到176.5s。     

脉冲爆震发动机孔板型气动阀工作特性实验研究

采用流动显示和压力测量两种手段对应用于脉冲爆震发动机的三种不同阻塞比孔板型气动阀进行了试验研究。研究结果表明,在不存在燃烧的流场里,孔板型气动阀具有较强的阻隔压力波动的能力;然而对于采用自适应供油的脉冲爆震发动机,发动机点火后,由于压差,燃油液雾必然向上游流动,孔板型气动阀将处于可燃混合物中,较强的燃烧火焰穿越孔板时,孔板将担当起射流点火的作用,从而加速火焰的传播,最终破坏孔板阻隔压力回传的作用;增大孔板阻塞比可以减少燃油液雾的反流量,这有助于爆震室对进气系统的影响。