曲面激波诱导斜爆轰的数值模拟

为了研究恰当比预混氢气-空气斜爆轰流场的波系结构和流动特征，基于带化学反应的Navier-Stokes方程，对弹头及楔穿越预混气体时诱导的斜爆轰进行了数值模拟。对流项的离散采用Steger-Warming格式，时间项采用二阶Runge-kutta方法。结果表明，对于弹头：（1）在亚爆轰条件下，能够模拟氢气-空气预混诱导爆轰流场的精细结构；（2）在超爆轰条件下，通过精细调整网格，能够很好地分辨强烈耦合的激波和燃烧波，且与Lehr实验吻合良好。对于楔结构：捕获到了清晰的三波点及其复杂精细的斜爆轰流场结构，预测的诱导燃烧距离、激波角和斜爆轰角与实验吻合良好；通过对流场波系结构变化过程的研究，获得了流场三波点随时间的演化过程。     

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。     

斜爆轰发动机燃烧机理试验研究

为了研究斜爆轰发动机的稳定燃烧机理,本文开展了飞行马赫数9的斜爆轰发动机的数值模拟研究和试验研究。首先,设计了全尺度斜爆轰发动机模型,发动机的总长度为2.8m。采用两级进气道压缩,每级压缩角度均为15°。利用三个小支板在进气道前缘主流核心区中进行氢气的喷射和混合。其次,对氢气混合过程和发动机燃烧过程进行了数值模拟研究。控制方程采用带化学反应的雷诺平均的N-S方程,湍流模型采用SST k-ω模型,化学反应模型采用9组份19步反应的基元反应模型。数值结果表明,氢气在进气道内混合得比较均匀,在燃烧室内获得了稳定的斜爆轰流场和正爆轰流场。接下来,在激波风洞中开展了马赫数9状态下的斜爆轰发动机稳定燃烧机理试验研究,在50 ms的风洞有效试验时间内获得了持续稳定的斜爆轰流场,试验结果与数值模拟结果吻合较好,表明在试验中形成了斜爆轰波。研究结果证明了斜爆轰发动机的技术可行性。     

中心锥喷管喉道比参数对旋转爆轰燃烧影响的数值研究

旋转爆轰发动机的推进性能与尾喷管的设计有关。为探究中心锥喷管的喉道比参数如何影响旋转爆轰波的传播模态及旋转爆轰发动机的推进性能，采用三维欧拉方程结合氢气/空气基元反应模型，对不同喉道比参数下的旋转爆轰发动机进行了数值模拟与流动分析。数值结果显示，随着喷管喉道比的减小，旋转爆轰波依次呈现出稳定单波模态、单双波交替的混乱燃烧模态和爆燃燃烧模态。研究发现，喉道处产生的反射激波是影响RDW传播模态的关键因素。随着喉道比的减小，反射激波强度逐渐增强，并与新鲜来流混气作用引发局部热点，使单波模态转变为单双波交替的混乱燃烧模态；随着喉道比进一步减小，反射激波的高压作用使爆轰波熄爆，燃烧模态转变为爆燃燃烧。对推力性能的进一步分析表明，单波模态下发动机的推进性能随喉道比的减小而增强，且明显好于混乱模态和爆燃模态。     

非预混条件下的旋转爆轰燃烧室双波头演化过程数值模拟

针对旋转爆轰燃烧室双波头演化过程中流场结构变化的问题,对非预混条件下的旋转爆轰燃烧室从起爆到形成稳定的双波头过程进行了数值模拟研究。研究结果表明,从起爆到形成稳定爆轰过程,燃烧室主要经历了起爆、爆轰波对撞和稳定爆轰三个阶段；在爆轰波对撞阶段,首次对撞是两个爆轰波间的对撞,由于对撞点处缺少新鲜混合气,从而在对撞结束后衰减为两个压力波。第二次对撞是两个压力波间的对撞,因为在第二次对撞点附近存在新鲜混合气来支撑爆轰波的持续传播,故对撞结束后产生了一个爆轰波和一个较弱的压力波；第二次对撞发生后,燃烧室内的压力波反射叠加并形成局部高压区,此高压区压缩气体使气体温度升高,高温气体引燃混合气后,最终发展成为第二个爆轰波；稳定阶段,两个爆轰波均能稳定自持传播,爆轰波峰面压力可达1.45MPa,波后温度为2500K,爆轰波速度稳定在1738m/s,产生的推力与比冲分别为79.76N和2312.15s；斜激波的存在使燃烧室出口平面流场产生了较大波动。      

旋转爆轰的三维数值模拟

旋转爆轰利用爆轰波在燃烧室的供气端传播,而爆轰产物从另一端排出。为了揭示其宏观特性,采用带化学反应的三维Euler方程,在贴体坐标系中,利用带限制函数的波传播算法,对圆环形燃烧室内的旋转爆轰进行了数值研究,讨论了爆轰传播过程中的波系结构。数值结果表明,即使仅在燃烧室内壁面的部分区域充入可燃气,爆轰波也能够以旋转方式在该区域稳定传播。     

燃烧室轴向和周向长度对气液两相旋转爆轰特性的影响

为了研究旋转爆轰发动机燃烧室轴向和周向长度对气液两相旋转爆轰特性的影响,采用守恒元和求解元(CE/SE)方法对带化学反应的汽油/富氧空气两相旋转爆轰理论模型进行求解,获得了气液两相旋转爆轰流场结构,并分析了燃烧室轴向和周向长度对燃烧室流场、爆轰波传播特性以及发动机推力性能的影响。计算结果表明:轴向长度对燃烧室上游流场影响甚小,却对下游流场参数影响较显著。随着轴向长度增加,燃烧室出口压力、温度、密度以及周向速度均降低,轴向速度则逐渐增大,同时发动机平均推力密度和燃料比冲先增大后减小。当周向长度过短,燃烧室内难以形成自持传播的爆轰波,随着周向长度增加,上游爆轰波强度增加,对应的流场参数均有所增大,但发动机推力性能略有所降低。     

聚心火焰与诱导激波相互作用及爆燃转爆轰过程

基于带化学反应的二维轴对称Eu ler方程,利用带限制函数的波传播算法,在两端均敞开和一端封闭一端敞开的两种边界情况下,对圆柱型燃烧室中的氢气-空气预混气的聚心燃烧进行了数值模拟,探讨了聚心火焰引发爆轰过程中的波系结构以及火焰的变形。数值结果表明,在两端均敞开的情况下,燃烧诱导的激波在轴心、火焰和壁面之间来回反射,使火焰失稳,加速了火焰的燃烧,但没有转变成爆轰。而在一端封闭的情况下,封闭端反射产生的激波,不断穿越火焰,使火焰严重失稳,加剧了燃烧速度,最终导致爆轰的形成。稳定爆轰阵面的参数与CJ理论计算的结果进行了对比,两者符合的较好。同时,火焰在与激波的作用过程中,形状扭曲变形,对于两端敞开的情况呈对称的扁平头部蘑菇云,而对于一端封闭的情况,则呈封闭端小敞口端大的扁平头部蘑菇云。     

CE/SE方法在非定常爆轰计算中的应用

建立了非定常爆轰波的理论模型。根据CE/SE方法的基本思想，推导出适合于求解二维N-S方程的长方形网格的CE/SE方法。对于包含刚性反应源项的守恒方程组，将其分为两部分，其中刚性反应源项单独求解。本文以爆轰管内装填C3H8/O2预混气体为例，数值模拟管内爆轰波的传播过程以及爆轰波脱离爆轰管后流场的图谱。计算结果显示，爆轰波在管内传播时，其波系极其复杂。当爆轰波离开出口后，迅速熄灭为非反应的激波。管外不仅有激波、膨胀波的传播，而且还存在激波与涡的相互作用。数值实践表明，该CE／SE方法可以有效捕获爆轰波与激波等强间断。     

连续旋转爆震波细致结构及自持机理

基于化学非平衡流解耦方法和详细化学反应机理,在0.1mm的网格尺度下对连续旋转爆震波内流场和爆震波平掠惰性气体界面的传播过程进行了数值模拟。详细分析了连续旋转爆震波的空间结构,由于在出口侧无几何约束,受一系列稀疏波的影响,旋转爆震波强度受到不同程度的削弱,形状也发生了相应的变化。爆震波平掠惰性气体界面时的流场分布与连续旋转爆震波结构极为类似,对比研究了波前可燃气体层高度对爆震波结构和传播过程的影响,当爆震波高度较小时,其抵御惰性气体侧稀疏波衰减的能力弱,波阵面严重变形,爆震波解耦。若爆震波要稳定自持传播,其必须要达到一定的临界高度来抵御稀疏波的影响。     

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。     

液态燃料喷注压力对旋转爆轰波影响的实验研究

为了深入研究液态燃料旋转爆轰波传播特性,以汽油为燃料,富氧空气为氧化剂,开展了液态燃料喷注压力对旋转爆轰波传播特性影响的实验研究。使用马尔文粒度仪对不同喷注压力下的雾化流场进行测量,结果表明在距离喷嘴出口各平面上的液滴粒径均满足正态分布;且随着喷注压力的增大,液滴雾化细度不断改善,在距离喷嘴出口60 mm处二次雾化基本完成。在汽油质量流率为96 g/s,当量比为1.3工况下,旋转爆轰波以单波模态传播,传播频率为2494 Hz,平均传播速度为1198 m/s。液态燃料的喷注压力对旋转爆轰波的传播特性具有较大的影响,当喷注压力为0.6 MPa时,由于液滴的雾化粒径较大,无法形成旋转爆轰波。随着喷注压力的增大,液滴雾化细度得到改善,旋转爆轰波可以成功起爆并稳定自持传播,传播速度和平均压力均逐渐增大,传播稳定性也得到改善。     

旋转爆震发动机喷管非定常流动特性的数值模拟研究

为分析旋转爆震喷管内非定常流动特性,本文基于特征线方法和旋转爆震燃烧室出口时均参数设计了一种塞式喷管模型,通过改变塞锥式喷管的进出口压比（压比分别为15、30和45）,分析了喷管内非定常流场结构与喷管工作性能之间的相互关系,并探究了喷管进出口压比变化对喷管工作性能的影响。研究结果表明：旋转爆震燃烧室下游斜激波进入喷管后,在喷管内形成一道绕喷管壁面螺旋分布的激波,激波结构主要由波前气流角和激波前气流速度决定;爆震喷管局部工作状态依据相对螺旋激波位置分别存在自由膨胀状态、欠膨胀状态、欠膨胀与过膨胀过渡状态以及过膨胀状态四种情况,喷管处于第二种工作状态（欠膨胀）时,喷管内存在激波,并随着激波的传播不断增强,在第四种工作状态达到最大（喷管处于过膨胀状态）,且喷管在第二到第四种工作状态内工作性能变差;在低压比（压比15）工作条件下喷管性能优于高压比（压比30）,其最佳推力和燃料比冲分别为992.05N和1769.52s,因而旋转爆震喷管设计应选择较高的进出口压比作为设计点,使旋转爆震喷管更多的工作在低压比工作状态,以提高旋转爆震喷管工作效率。     

连续旋转爆轰波在无内柱圆筒内的数值模拟

在对同轴圆管内的连续旋转爆轰的已有研究成果进行总结分析后,提出无内柱的连续旋转爆轰的燃烧室模型.利用结合了一步化学反应模型的圆柱坐标系下的Euler方程三维数值模拟了在这种燃烧室内爆轰波的传播行为.数值结果表明:爆轰波由初始起爆的单向传播最终自动收敛稳定到若干个典型爆轰波头的流场结构.在当前进气条件下,流量可以达到450kg/m2s,其基于反应物的比冲约为1900s.与同以H₂/Air作为燃料时同轴连续旋转爆轰发动机(RDE)燃烧室模型的2000s相比,基于反应物的比冲十分接近,但由于内部有可燃气以爆燃形式燃烧等原因,有5%的损失.      

H2/Air连续旋转爆震波的起爆及传播过程试验

在环缝-喷孔对撞式喷注模型发动机上,采用H2/O2热射流切向喷注的起爆方式,进行了H2/Air组合的连续旋转爆震试验,试验成功起爆并实现了爆震波的持续旋转传播。切向喷注的热射流并没有直接诱导形成旋转爆震波,从点火到形成稳定传播的旋转爆震波之间存在时间间隔。对高频信号的时频分析结果表明,在该试验工况下,旋转爆震波的传播过程非常稳定,其传播频率为5.5～5.95 kHz,平均传播频率为5.75 kHz,对应的平均传播速度为1716.4m/s,为理论预测值的91.14%。在没有测量高频压力的情况下开展了长程试验,结果表明,连续旋转爆震波也可以在更长的时间范围内稳定工作。     

高总温空气与汽油燃料的旋转爆震验证试验

为验证高总温空气来流条件下汽油燃料旋转爆震的可行性,开展了气液两相旋转爆震发动机试验研究。旋转爆震发动机环形燃烧室外径和内径分别为202mm和166mm,长度为155mm。通过空气加热器模拟高总温空气来流环境,汽油和空气采用分开喷注的方式,分别通过高压喷嘴和环缝进入燃烧室。试验采用垂直安装的预爆震管成功起爆了旋转爆震波,并实现了旋转爆震波的连续稳定传播。试验结果表明：当空气质量流量为1110.0g/s,当量比为0.97,空气总温为713K时,旋转爆震波以双波对撞模态在燃烧室内连续传播,爆震波传播频率为1827.31Hz,与高频压力信号经快速傅里叶变换得到的主频一致,爆震波传播速度为1059.6m/s。在空气质量流量为1110.0g/s,当量比为0.84,空气总温为713K的工况下进行了3s的长程试验,验证了以高总温空气为氧化剂、汽油为燃料的旋转爆震发动机长时间连续稳定工作的可行性,获得的旋转爆震波传播频率为1907.5Hz。     

非预混喷注对旋转爆震发动机影响的数值研究

为了研究真实情况下非预混喷注对旋转爆震发动机工作过程的影响,采用氢氧7组分8步化学反应的基元反应模型,忽略黏性、热传导和扩散等输运效应。对真实情况下燃料(H₂)和氧化剂(Air)分开喷注的旋转爆轰发动机进行三维数值模拟,深入分析了非预混条件下的旋转爆震波流场结构,探讨了燃料喷注方式对发动机性能的影响。计算结果表明:本文方法可有效模拟燃料与氧化剂非预混喷注的旋转爆震波流场。在给定的计算条件下,不同喷注方式发动机的爆震波平均传播速度大约为1640~1840 m/s;平均推力为90~100 N;基于混合物的比冲为820~900 m/s。随着燃料喷注位置的前移,发动机性能明显提高;燃料喷注角度对发动机性能影响较小,随着喷注角度的减小,发动机性能逐渐提高,提高幅度较小;燃料双侧喷注的性能明显优于单侧喷注。旋转爆震发动机的性能与燃料/氧化剂的冷流掺混效果成正比。