暂冲式环形射流诱导非定常激波聚焦的机理研究

利用暂冲式环形射流诱导非定常激波聚焦实验装置,在环形喷口宽度为9.4mm,喷口前后压比分别为6.1和17.9的条件下进行了环形射流聚心碰撞诱导非定常激波聚焦的实验研究,并以数值计算为补充,对流场的演化过程进行了详细的分析。结果表明,环形射流启动时形成的前导激波聚心碰撞是产生非定常激波的主要原因。在环形喷口宽度d=9.4mm,压比π=6.1的条件下,激波聚焦的峰值压力可达2.16MPa,为凹面腔内部初始压力的21.8倍。激波在凹面腔内聚焦后形成回传激波,凹面腔底部的气流经入射激波与回传激波两次压缩后,压力大大提升,向环形喷口回流,使下一循环中环形射流的欠膨胀度降低,前导激波强度也相应减弱,随之产生的非定常激波和激波聚焦强度也有所降低。此外,一个循环中输入凹面腔的能量由环形喷口宽度所决定,因此,当喷口前后压比大于临界压比1.89时,保持喷口宽度不变而仅改变喷口前后压比,所产生的非定常激波和激波聚焦强度基本不变。     

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.     

射流宽度对激波会聚起爆的影响分析

为了研究射流入射喷口宽度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,对不同射流入射喷口宽度的环形激波聚焦爆震起爆过程进行了数值模拟。结果表明,当入射射流的温度为一定值时,不同宽度的环形射流入射喷口对应着不同入射压力Pin的临界值,当Pin大于该临界值时,其形成的激波聚焦才能够形成高温、高压区域,从而起爆爆震波;随着入射喷口宽度的增加,射流的入射强度增大,其对应的临界入射压力随之增大。     

入射喷口宽度对环形射流激波聚焦起爆爆震的影响分析

为了研究射流入射喷口宽度对环形激波聚焦爆震起爆的影响,本文以氢气和空气混合物为例,对不同射流入射喷口宽度的环形激波聚焦爆震起爆过程进行了数值模拟,结果表明,当入射温度为一定值时,不同宽度的环形射流入射喷口对应着不同入射压力pin的临界值,当pin大于该临界值时,其形成的激波聚焦才能够形成高温、高压区域,从而起爆爆震波;随着入射喷口宽度的增加,射流的入射强度增大,其对应的临界入射压力随之减小。     

导流角对激波聚焦起爆爆震的影响

为研究两级脉冲爆震发动机环形射流入口导流角对激波聚焦起爆爆震的影响,以H2/O2/N2混合气为介质,对不同导流角下激波聚焦起爆爆震的过程进行了数值模拟,并开展导流角对激波聚焦起爆爆震影响的冷态实验,共同揭示其影响规律。结果表明:导流角越大,射流碰撞压力和温度越高,碰撞时间提前,更容易起爆爆震,但激波聚焦时间在导流角大于11°时基本不变；导流角越大,凹面腔内气流振荡频率越大,凹面腔底部的动压幅值越小。      

环形射流喷口位置对激波聚焦起爆的影响分析

为了研究环形射流喷口位置对激波聚焦起爆爆震的影响,以氢气和空气混合物为例,对不同环形射流喷口位置条件下的激波聚焦起爆过程进行了数值模拟。结果表明,随着喷口距凹壁面距离L增大,直接聚焦起爆和凹壁面反射起爆所需的临界入射压力逐渐增大,相应的聚焦时刻会滞后,形成焦点的位置距凹壁面越远。     

二维凹面腔内暂冲式激波聚焦机理的实验

针对两级脉冲爆震发动机中第二级凹面腔内激波聚焦起爆能量和周期的研究,设计了二维凹面腔内暂冲式激波聚焦实验系统。通过分析粒子图像测速系统捕捉的照片和动态压力数据,获得了凹面腔内激波聚焦高压区压力特性和多循环流场演化特征。并且开展了A和B两种型面凹面腔的对比实验,进一步分析了多循环激波聚焦的形成机理。结果表明:入射激波第一次在凹面腔底部聚焦后形成的聚焦反射激波在喷口射流边界上发生反射,产生的反射激波再次在凹面腔底部聚焦,形成了第二次激波聚焦,如此往复便形成了周期性的激波聚焦,聚焦频率高达7~10kHz；并且,速度场和射流强度随入射激波碰撞而减弱,在排气过程中又增强,呈现周期性变化。      

射流马赫数对圆弧形凹面腔内激波聚焦过程的影响

为研究射流马赫数对连续超声速射流对撞流场演化及激波聚焦过程的影响,保持入射导流深度L=0.00mm不变,通过更换不同的Laval喷管,对马赫数分别为Ma=1.2,1.4,1.6和1.8时的实验工况凹面腔内反射聚焦过程进行了实验研究,用高速CCD(Charge coupled device)拍摄了圆弧形凹面腔中气流流场纹影照片,并用动态压力传感器测量了聚焦过程中流场的压力变化,对径向入射激波在凹面腔内的反射聚焦过程进行了描述。通过对比不同射流马赫数下激波反射聚焦过程,发现在低马赫数1.2时,表现出较强的激波完全聚焦特性,即前导激波碰撞形成反射激波,并反射聚焦形成三波点,从而在凹腔底部形成高温高压区触发爆震,前导激波完全聚焦过程在凹面腔内流场演化中占据主导地位。随着马赫数的增加,完全聚焦强度降低,在流场中的主导优势逐渐减弱;其激波聚焦频率受射流马赫数的影响较小,频率差值较小,基本保持一致。     

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。     

二维凹面腔内连续超声速射流入射压力对激波聚焦的影响

为研究射流入射压力对连续超声速射流对撞诱导激波聚焦的影响,开展了二维凹面腔内连续超声速射流对撞诱导激波聚焦的实验,分析了流场演化过程及动态压力特性。结果表明:连续超声速射流在凹面腔内对撞后出现了水平拉锯脉动模态和上下交叉脉动模态,在水平拉锯脉动模态中能实现频率为9k Hz左右的激波聚焦,实质是凹面腔内的气流周期性排出后形成的低压区导致射流喷管出口形成前导激波并在凹面腔底部聚焦;射流入射压力越小,凹面腔底部和射流对撞位置的压力脉动幅值越小,凹面腔底部激波聚焦的频率和强度越小,当入射压力减小到0.3MPa后,凹面腔内无法实现激波聚焦。     

Calculation of tractive nozzle characteristics with altitude compensation

The numerical calculations of flows in conical and contoured nozzles with slots in the supersonic part that operate under overexpansion conditions are presented. The calculations were made with the aid of the authors’ algorithm and program of simulating turbulent two-dimensional (axisymmetric) flows of a viscous heat-conducting gas. The results of computational investigations of tractive slot nozzle characteristics and the amount of combustion product leakage from an annular slot depending on the flight altitude are given. It is shown that the flight altitude at which the gas flow through the annular slot is “chocked” depends on its size and location in the supersonic nozzle part.     

寻求提高火箭发动机推力和比冲的新途径──环形喷管应用探讨

对环形喷管的概念、特性、分类及其应用作了详细说明，介绍了国内外环形喷管的研究概况，并分析了环形喷管在实际应用中会遇到的问题及解决方法。     

喷管对旋转爆震发动机性能影响的实验

为了研究喷管对旋转爆震发动机（RDE）性能的影响,设计了RDE推力测试台,RDE环形燃烧室的内径和外径分别为70mm和80mm,长度为40mm,以氢气和空气分别作为燃料和氧化剂,采用环缝-喷孔对撞式掺混方式,使用高能火花塞点火,并用压电式压力传感器测量推力,实验研究在燃烧室出口安装收敛喷管、扩张喷管以及拉瓦尔喷管对发动机工作性能的影响.结果表明,入口总质量流量小于0.126kg/s时,在发动机稳定工作的工况范围内,收敛喷管对发动机推进性能的提高最为明显.爆震波的传播速度及RDE的推进性能随着入口质量流量的增大而逐渐提高,而当量比则存在一个最佳值,使爆震波的传播速度及RDE的推力达到最大.基于混合物的比冲最高能够达到95.21s.      

脉冲爆震发动机尾喷管的实验

选取3类10种有代表性的脉冲爆震发动机尾喷管进行了试验.研究结果表明,各种喷管对性能均有提高;对每类喷管均存在一最佳面积比,使推力增益最大;在受试的尾喷管中,收敛-扩张喷管增益最大,达24%;填充系数对喷管性能增益影响甚微.     

尾喷管构型对多循环两相脉冲爆轰发动机流场及性能影响

为了研究尾喷管构型对多循环工况下非定常气液两相脉冲爆轰发动机推进性能的影响,运用适应能力强的非结构网格CE/SE(时空守恒元和求解元)方法数值研究了带尾喷管脉冲爆轰发动机的内外流场.结果表明:尾喷管对脉冲爆轰发动机性能的影响在单次循环和多循环工况下有显著差异;当燃料填充率为1、环境压力为0.1MPa时,完成一个周期各种构型尾喷管产生的平均推力由大到小依次为拉伐尔喷管、塞式收敛扩张喷管、收敛喷管、无喷管、直喷管;研究中塞式收敛扩张喷管可以提供最大的冲量和燃料比冲,但完成单个循环的周期最长.     

喷管收敛-扩张角对爆震发动机性能影响分析

为了研究喷管收敛-扩张角对爆震发动机性能的影响,以氢气和氧气混合物为例,对不同喷管收敛-扩张角下的爆震发动机工作过程进行了数值模拟,结果表明,不同喷管收敛-扩张角对爆震发动机性能的影响并不相同。增大扩张角,喷管出口面积增大,推力投影面积增大,排气时间减少,喷管内压力下降较快。收敛角为5°或扩张角为5°时的爆震发动机性能较好。     

喷管超音段壁面排气引射冷却方案气动特性研究

在常温条件下 ,对 3种轴对称收扩喷管超音段壁面排气引射冷却方案 (缝隙式气膜冷却、离散孔式气膜冷却和冲击—气膜组合式冷却 )的气动特性进行了试验研究 ,得到了不同冷却方案的推力系数、壁面压力分布和抽吸特性以及冷却气流量对这些性能的影响。试验结果表明 :与常规轴对称收扩喷管相比 ,采用排气引射冷却的喷管具有更好的推力特性 ,3种喷管的抽吸特性都优于轴对称基准喷管。     

液体火箭发动机喷管流动特性及高度补偿研究进展

喷管作为液体火箭发动机产生推力的重要组件之一,其内部存在的复杂流动现象对发动机性能具有重要影响,本文综述了该领域的相关研究进展。传统喷管在过膨胀状态下会产生自由激波和受限激波两种分离模式,其非定常、非对称性给发动机带来严重的侧向载荷,也造成流动预测较为困难。采用凹坑或涡轮废气主动射流等方式能够避免受限激波分离的出现,抑制侧向载荷,但却无法对喷管损失的性能进行有效补偿。通过对传统喷管的创新设计,高度补偿喷管不仅能够有效控制管内流动,还能在不同程度上提升发动机性能。然而,高度补偿喷管形式众多、各有所长,工程应用应谨慎决策。此外,各种形式的高度补偿喷管内仍旧存在激波/边界层干扰、分离、回流等不利的流动现象,亟待对其开展深入研究。     

Experimental Investigation of Nozzle Effects on Thrust and Inlet Pressure of an Air-breathing Pulse Detonation Engine

Nozzle effects on thrust and inlet pressure of a multi-cycle air-breathing pulse detonation engine (APDE) are investigated experimentally. An APDE with 68 mm in diameter and 2 050 mm in length is operated using gasoline/air mixture. Straight nozzle, converging nozzle, converging-diverging nozzle and diverging nozzle are tested. The results show that thrust augmentation of converging-diverging nozzle, diverging nozzle or straight nozzle is better than that of converging nozzle on the whole. Thrust augmentation of straight nozzle is worse than those of converging-diverging nozzle and diverging nozzle. Thrust augmentations of diverging nozzle with larger expansion ratio and converging-diverging nozzle with larger throat area range from 20% to 40% on tested frequencies and are better than those of congeneric other nozzles respectively. Nozzle effects on inlet pressure are also researched. At each frequency it is indicated that filling pressures and average peak pressures of inlet with diverging nozzle and converging-diverging nozzle with large throat cross section area are higher than those with straight nozzle and converging nozzle. Pressures near thrust wall increase in an increase order from without nozzle, with diverging nozzle, straight nozzle and converging-diverging nozzle to converging nozzle.