水下爆轰燃气泡形态与激波传播过程研究

针对脉冲爆轰发动机在水下工作过程中形成的燃气射流问题,搭建了水下爆轰燃气实验系统,研究了第一个爆轰循环中燃气泡发展变化过程。建立了基于气液两相双流体模型的脉冲爆轰发动机水下喷射模型,采用时-空守恒元和求解元方法,模拟了爆轰波与水相互作用形成的激波的传播及衰减过程。研究结果表明：燃气射流冲击水面时,燃气泡形态在膨胀阶段受到水介质的阻滞作用呈现“豌豆”状,其轴向与径向尺寸有不同的发展规律;同时燃气泡内由于气水冲击作用和燃气扩散受限一直保持较高压力;前导激波传播速度远大于燃气泡发展速度,脱离燃气泡后激波压力值迅速衰减至常压量级,且在中心轴线上的衰减最为剧烈,导致其强度指向性发生改变;前导激波在气液交界面处产生反射,回传的反射激波与后续气流形成的拦截激波碰撞在燃气泡内出现回击现象,使管口附近形成较高的压力峰值。     

水下爆轰燃气泡形态与激波传播过程研究*(爆震专刊)

针对脉冲爆轰发动机在水下工作过程中形成的燃气射流问题,搭建了水下爆轰燃气实验系统,研究了第一个爆轰循环在水下的燃气泡发展变化过程。建立了基于气液两相双流体模型的脉冲爆轰发动机水下喷射模型,采用时-空守恒元和求解元方法,模拟了爆轰波退化为激波在水中的传播及衰减过程。研究结果表明：燃气泡前期受外界水环境阻滞作用呈现“豌豆状”形态,充分发展阶段气液交界面逐渐失稳,在达到最大尺寸后开始收缩并在中心轴线位置出现凸出的射流；水下爆轰燃气射流发展过程中同时存在脱离燃气泡的水中前导激波和管口燃气泡内的高压区两部分,水中前导激波在传播过程中压力迅速衰减至常压量级,而管口燃气泡内则一直保持较高压力；中心轴线区域气液交界面处反射激波的回传使管口附近出现回击现象,并导致前导激波波阵面上压力峰值逐渐出现在30°方向上。     

两相脉冲爆轰发动机尾喷管的实验研究

为了提高脉冲爆轰发动机的推进性能,实验研究了12种不同构型尾喷管对火箭式两相脉冲爆轰发动机爆轰特性和推进性能的影响,并对各类尾喷管的增推原因进行分析。结果表明满填充工况下各类喷管内的爆轰特性不尽相同,收敛喷管可得到最大压力峰值;在满填充工况下频率为10Hz时12种喷管构型中拉伐尔喷管的推力增益最大,塞式收敛扩张喷管其次;拉伐尔喷管的出口面积比对推力增益有较大影响,但收敛段-扩张段长度比对推力增益影响甚微。     

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。     

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.      

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。     

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。     

扩张管和燃料部分填充对PDE效能的影响

采用基于有限速率基元化学反应模型的网格自适应有限体积方法,数值模拟以脉冲爆轰发动机为背景的爆轰波通过扩张喷管的流场,研究了喷管形状及喷管充气状况对脉冲爆轰发动机推进性能的影响。结果表明,氢-氧混合物产生爆轰波的等截面爆轰管冲量在某一比例合适的部分填充时达到最大,而对较大扩张角的喷管来说,其冲量一般随喷管内可燃气体填充比例的增加而增加,比冲通常随可燃气体填充比例的减少而增加;合适的喷管和燃料填充系数能使比冲显著提高。     

基元化学反应一维爆轰波的数值模拟

应用基元化学反应模型对一维氢氧混合气体爆轰波进行数值模拟。采用一端高温高压点火起爆的方式,模拟爆轰波的传播。对一维爆轰波的结构、传播特征以及各个化学组分的变化趋势进行了研究。通过将模拟的结果同国内外的研究结果进行对比,发现了一些规律,为多维爆轰波的数值模拟和脉冲爆轰发动机的研究奠定一定的基础。     

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。