爆震管内波与火焰相互作用机理的试验

为了解波与火焰相互作用的机理,在60 mm×60 mm×2000 mm方爆震管内,用乙炔(C₂H₂)和空气混合物进行了单爆震性能研究.利用压力传感器与离子探针同时测得爆震管内的压力和火焰传播速度.根据波和火焰触发的不同时刻来分析爆震管内波与火焰相互作用的过程.结果表明:光滑爆震管内没有产生爆震波,压力波始终在火焰前面;加入阻塞比为0.4的扰流器后,爆震管内产生了爆震波.在扰流器内部,爆震波比较复杂,弱压缩波在火焰前面,但火焰在激波前面;在扰流器出口位置以后,激波在火焰前面.      

丙烷爆震特性的试验

为了解丙烷的爆震特性,在60 mm×60 mm×2 000 mm的方爆震管内,分别用空气、纯氧以及它们的混合物作为氧化剂进行了单次爆震性能的试验研究.利用安装在同一截面上的压力传感器与离子探针同时测得缓燃-爆燃转捩(DDT)位置处爆震管内的压力、火焰传播速度和方向.获得了丙烷的起爆性能和DDT特性、压力波与火焰的传播规律.试验结果表明:①在本试验管道内利用空气作为氧化剂无法形成爆震波,而丙烷和纯氧混合物的DDT距离则很短;②在化学恰当比条件下DDT的距离最短,但随着氮气含量的增加DDT距离会增长;③DDT过程中压力波和火焰具有相近的变化趋势.      

圆环片扰流器对爆震燃烧特性的影响

在飞行状态下成功实行液态燃料的连续爆震在工程上有较大的难度。通过在爆震管内安装扰流器促进爆震波的形成,并针对不同扰流器结构参数对管内爆震燃烧压力和火焰传播速度的影响开展了实验研究,获得了爆震燃烧特性随扰流器长度、间距和起始位置的变化规律。结果表明:燃烧波峰值压力和火焰传播速度随扰流器片数、间距的增加和起始位置的变大而增大;当在管内产生爆震波后(爆震波峰值压力大于1.4M Pa,火焰传播速度>1 000 m/s),燃烧波压力和火焰传播速度随上述参数的改变变化不大。      

爆震管同一截面处压力测量试验

为得到爆震管内同一截面上压力波的分布特性,在60mm×60mm×2000mm方爆震管内,用乙炔(C₂H₂)和空气混合物进行了单爆震研究.在距离封闭端1400,1600mm两个截面的不同位置处分别安装4个高频响压力传感器测得压力值.实验在光滑爆震管和安装扰流器的爆震管内分别进行,结果表明:①同一截面的压力波大小并不一样,安装扰流器的爆震管内得到充分发展的爆震波,且爆震波不是一个平面波;②壁面处压力波的压力大于爆震管道中间压力.      

爆震室压力测量可靠性试验

为了提高脉冲爆震发动机(Pulse Detonation Engine,简称PDE)内爆震波压力测量值的可靠性,解决多循环PDE爆震室压力测量问题.通过动态压力测试系统,对单次爆震和多循环PDE爆震室内的压力进行测量.单循环爆震波压力测量的比较性试验研究发现:当主爆震室的旁支套管长度小于100mm左右,可以测到爆震波的峰值;当套管长度大于150mm左右时,火焰不能在旁支小管内传播,传感器测到的只是爆震波后的平台的压力.当通过冷却套管来测量多循环PDE爆震室压力时,采用较短长度的套管,可以得到爆震波压力.研究结果解决了多循环爆震波的压力测量问题.      

环形火焰引发爆震的数值研究

采用改进的适于多组分反应流的波传播算法,对直管道中甲烷．空气预混气的爆震引发过程进行数值研究,考虑了两种不同构型的初始环形火焰对引发爆震的影响。对这两种构型下爆震引发过程中的压力场、温度场、反应放热率以及组分浓度进行了计算,由此探讨了“热点”形成机制及其对爆震引发的作用。结果表明,火焰发展产生的燃烧压缩波在管壁或管轴心发生汇聚、碰撞所形成的复杂波系与火焰相互作用,导致火焰前锋与压缩波之间的局部区域反应剧烈,反应放热率明显增加,从而促使热点形成。形成的热点迅速放大成为过驱爆震波,并逐渐衰减为稳定爆震波。稳定爆震波阵面参数与CJ理论结果进行了对比,两者符合得较好。     

基于预爆震管的旋转爆震波建立和传播过程研究

预爆震管已成为旋转爆震发动机的主流点火方式,为研究预爆震管点火方式下旋转爆震波的起始和传播过程,本文采用动态压力传感器、离子探针以及高速摄影等实验手段,分析了旋转爆震波的建立过程,探讨了预爆震管与燃烧室的相互作用,总结了预爆震管出口直径、初始填充压力以及排气时间对旋转爆震波建立和传播的影响。研究表明：由于衍射作用,从垂直安装预爆震管传出的爆震波,在燃烧室内迅速发生解耦,形成来两道传播速度相同、方向相反的的低速燃烧波。两道燃烧波沿燃烧室周向不断加速并对撞,对撞多次后最终发展成一道旋转爆震波。预爆震管出口直径对旋转爆震波建立时间的影响要明显大于初始填充压力的影响。增大预爆震管出口直径,可提高燃烧室内初道激波和燃烧波的强度,有利于降低DDT时间,但由于预爆震管对旋转爆震波的传播具有一定消弱作用,旋转爆震波的平均传播速度略有减小。当预爆震管处于排气阶段时,旋转爆震波仍可稳定传播,其排气过程并不影响旋转爆震波建立时间。     

六毫米内径管道中的单次爆震实验研究

为研究微尺度下的爆震波传播特性,用乙烯和氧气为燃料和氧化剂,在6mm内径的管道内进行了爆震实验研究。实验表明,气体混合物在该尺度下可以产生稳定的爆震波,且爆震强度和火焰传播模式等受当量比影响较大。实验在不同当量比下得到了缓燃转爆震的距离,其中当量比1.4时距离最短,当量比大于2.2时爆震不稳定。用高速摄像机拍摄了当量比0.8,1.4和2.2下的火焰传播过程,发现了多种火焰形态并分析了形成原因;测量了三种当量比下的爆震速度和压力,发现当量比2.2时的爆震压力和速度最大,0.8时最小。实验值与C-J爆震理论值吻合较好。     

用烟迹法研究爆燃向爆震的转捩

为能直观了解由爆燃到爆震的转捩过程(简称DDT)中激波的变化过程,在60mm×60mm×2000mm方爆震管的侧面设置了60mm×1380mm的窗口来获得爆震波的烟迹图,分别用乙炔(C₂H₂)和空气、氢气(H₂)和空气混合物进行了单次爆震性能研究.利用安装在同一截面上的压力传感器与离子探针同时测得DDT位置段爆震管内的压力分布、火焰传播速度和方向.试验结果表明:①烟迹法是研究DDT更为直接和有效的手段之一;②在本试验条件下,观察到DDT过程中过爆只会出现一次,但从过爆衰减至正常C-J爆震波的过程中存在多次多点爆炸的迹象;③初始条件相同的情况下,乙炔的胞格尺寸小于氢气的胞格尺寸.      

旋转爆震发动机中爆震波不稳定传播特性实验研究

在内径为60mm,外径为70mm的旋转爆震发动机实验件上,进行了以氢气/空气为推进剂的旋转爆震实验,以研究爆震波传播过程中的不稳定现象。实验中采用预爆管切向入射的方式起爆旋转爆震波,用高频动态压力传感器记录爆震波压力,用高速摄像机拍摄爆震波在环形燃烧室内的传播现象。在稳定工况下,爆震波传播速度达到1680.6m/s(为理论值的83.9%),工作频率达到7642Hz;在小流量工况下,爆震波的传播速度表现出很强的不稳定性,能从790.1m/s(理论值的39.4%)变化至1533.9m/s(理论值的76.6%)。实验发现了旋转爆震发动机的点火起爆过程中存在如下不稳定现象:爆震波自发改变传播方向,爆震波自发由一个变成两个,两个爆震波相互撞击。在实验中,还发现:不带喉部时,旋转爆震发动机中爆震波的传播方向具有随机性;带喉部时,爆震波的传播方向呈现出规律性。出现上述"不稳性"现象的可能原因是:点火起爆阶段,初始流场混乱,湍流度较大,爆震波的形成过程容易受到流场扰动的随机性干扰。     

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.     

弯曲方管内爆燃向爆震转变特性

为缩短爆震管轴向尺寸,采用曲管爆震管替代直管爆震管.基于弯曲方管实验器,进行了二维数值仿真计算,研究了点火位置、点火能量及弯曲段曲率半径对爆震波形成及传播的影响规律.数值模拟结果表明:爆燃向爆震转变(DDT)时间随弯曲段曲率半径增大而减小,DDT距离在弯曲段曲率半径最大时达到最小值;点火能量越大,爆震管内激波强度越大,DDT时间越小;在距离爆震管进口300mm处点火时,爆震管内爆震波压力峰值最大,DDT时间最短.     

脉冲爆轰发动机内三维两相爆轰的数值计算

根据脉冲爆轰发动机内脉冲爆轰的特点,建立三维两相爆轰的理论模型。应用国际上最近发展起来的CE/SE方法,数值模拟爆轰管内三维两相燃烧转爆轰的过程。计算结果表明:当点火起爆后,在燃烧转爆轰过程中,三维效应非常明显。当形成稳定爆轰波后,三维效应不明显。计算压力值和实验压力值符合得较好。     

乙烯和汽油多循环脉冲爆震发动机起爆特性比较

为了研究脉冲爆震发动机(PDE)结构对其工作性能的影响,在内径为40mm、长为1050mm的气动阀式脉冲爆震发动机样机上,进行了气态乙烯/空气和液态汽油/空气的多循环起爆特性试验研究.研究结果表明:在25,30Hz和40Hz下都能在乙烯/空气中成功触发爆震波,40Hz下产生C-J(Chapman-Jouguet)爆震波,传播速度为1724m/s(低于C-J爆震波速度理论值1832.45m/s的5.6%),峰值压力为3.01MPa(高于C-J爆震波压力理论值2.79MPa的7.88%).在相同结构下,汽油/空气未能完成由缓燃向爆震转变的过程.通过对比两种燃料下的试验结果发现:相对于气态燃料,液态燃料受其蒸发过程的影响,在爆震管内的火焰加速缓慢,需要更多的强化燃烧装置来加速火焰,带来的总压损失也更大.因此,对于液态燃料改善雾化和蒸发,提高可爆混气的质量是其实现低阻起爆的关键.      

间接起爆对脉冲爆震发动机热效率影响

建立了基于整个燃烧室内经历不同燃烧方式下所有工质来评估脉冲爆发动机平均循环热效率的方法,通过二维数值方法对两种采用不同数目障碍物的爆震管模型的起爆特性及循环热效率进行了研究,并分析了燃烧波传播的距离与DDT距离之比（定义为ξ）对模型热效率的影响.结果表明:①间接起爆方式及不同DDT强化装置都会影响系统的循环热效率;②就计算模型,当ξ接近1时,其系统平均循环热效率仅为理想爆震循环热效率的60%左右;③随着ξ的增加,间接起爆方式的影响迅速减弱;④当ξ为1.5时,系统平均循环热效率可达爆震燃烧热效率的93%.      

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.      

缓燃向爆震转捩过程中火焰和压力波发展规律试验

为了解缓燃向爆震转捩(DDT)过程,在60mm×60mm,长2m的方形爆震管内,利用高速摄影和高频压力传感器试验研究了4种余气系数下氢气/空气混合气燃烧时的火焰和压力波演变规律.结果表明:缓燃向爆震转捩经历了缓燃、爆燃、在壁面产生热点、形成爆震中心和稳定爆震5个阶段,缓燃、爆燃和爆震的火焰传播速度分别为0～15m/s,500～1000m/s和1800～2000m/s.压力传感器获得的时序图和对应峰值压力的变化规律也验证了上述过程:在压力传感器测试区间(850～1200mm)内,压力峰值从1.5MPa先跃升到7MPa上下,然后下降稳定在2～3MPa.据压力时序图算得的爆震波传播速度与高速摄影获得的火焰传播速度一致.      

环截面管中的爆燃转爆震实验

为了实现在环截面爆震管封闭端同时点火,采用了先在预燃室中点火,再通过八路支管将火焰引入到爆震管封闭端,各个支管长度一样,因此可看成在环管封闭端多点同时点火.实验结果显示,在爆震管封闭端火焰汇聚形成激波点火,可在环管封闭端附近直接产生爆震波.在爆震管中安放扰流片时,流动阻力使爆震速度偏低,无扰流片时,爆震速度接近理论值.不加扰流片当量比在1.0左右,火焰速度会出现爆燃或爆震两种随机状态,当量比到1.1时可避免这种状况.      

球形点火腔对脉冲爆震DDT过程影响的数值研究

为了减小脉冲爆震发动机PDE（pulse detonation engine）单次循环时间，缩短爆燃向爆震转变DDT（deflagration to detonation transition）距离是关键.为此，提出了一种在头部添加球形点火腔的新型爆震管道结构设计方案，并采用丙烷和空气为可爆混合物，通过对新型爆震管DDT过程的二维数值模拟，研究其对DDT距离以及DDT时间的影响.数值模拟结果表明，头部采用球形点火腔后，点火腔中的压缩波经过多次反射后，能够在爆震管中更快地促使爆震波形成，DDT距离大大缩短；当球形点火腔直径为1.5倍等直爆震管直径时，相对于常规等直管爆震管结构，其DDT距离和过程时间分别减少了14%和16.26%.