多循环脉冲爆震载荷作用下爆震室强度分析与结构优化

利用数值模拟获取的完整爆震循环载荷,以及爆震室有限元模型,计算分析了爆震室多循环工作时的等效应力,依据热平衡状态实测温度数据计算了温度场的影响,并对爆震室进行了壁厚优化.发现多循环工作时,爆震室最大等效应力比单次爆震时略大,但同一位置处差值不超过4%;同一位置处等效应力呈周期性变化,不同循环的最大等效应力基本不变;沿爆震波传播方向,等效应力的最大值逐渐增大.频率在10~50Hz变化时,同一位置处最大等效应力值基本不变.当假设爆震室径向温度相同且轴向可自由膨胀时,温度对应力几乎没有影响,但相同应力所产生的应变增加.      

真实爆震载荷作用下爆震室等寿命设计方法

结合内径为60mm的等壁厚爆震室，建立其有限元模型并施加真实爆震载荷，确定其疲劳载荷谱类型为周期性常幅谱。通过有限元模型和静态载荷作用下的解析模型分析得出爆震室壁厚和动力放大系数之间的相互影响关系，壁厚通过动力放大系数对自身进行调整，该过程中内壁的等效应力最大值逼近目标应力，以此为基础提出爆震室等寿命设计方法。根据计算结果设计加工变壁厚爆震室试验段，通过试验测量变壁厚爆震室外壁3个测点的应变，并估算3个测点内壁处的疲劳寿命，发现3个疲劳寿命最大误差为8.82%，考虑到试验与数值计算的工况误差可认为3个测点处寿命相同，验证了爆震室等寿命设计方法的正确性。      

脉冲爆震发动机爆震室起爆研究

根据脉冲爆震发动机（PDE）的概念、工作原理,分析了爆震燃烧的特点和起爆方法,研究了可燃气体在空气中存在的爆炸极限,分析了应用爆炸极限理论引发爆震的可行性。设计了航空煤油和空气作为起爆能源的爆震室,为了提高爆震成功率,爆震室油气混合气按照爆炸极限混合。定量计算了化学恰当比的航空煤油完全燃烧放出的热量以及爆震室最终温度和压力,分析了反应混合物浓度和起爆的关系。     

回流型脉冲爆震燃烧室工作特性分析 “爆震专刊”

为了获得回流型脉冲爆震燃烧室在不同工作频率下的工作特性,通过试验和数值相结合的方法对该爆震室工作频率10~30Hz时的出口燃气总压、总温、流量变化规律以及该爆震室的增压能力进行了测试与计算分析。结果表明：出口燃气总压、总温具有极高的峰值和较高的平台区,其工作频率10~30Hz时,压力平台值为0.36~0.91MPa,时均温度为710~1270K。此外,该爆震室排气流量十分集中,以10Hz为例,在一个爆震循环的16%时间,排出了整个循环60.5%的燃气。为此对出口燃气总压进行质量加权平均,发现该爆震室的增压比随工作频率的增加而降低,在2.37~2.05之间。     

回流型脉冲爆震燃烧室工作特性分析

为了获得回流型脉冲爆震燃烧室在不同工作频率下的工作特性,通过试验和数值相结合的方法对该爆震室工作频率10~30Hz时的出口燃气总压、总温、流量变化规律以及该爆震室的增压能力进行了测试与计算分析。结果表明：出口燃气总压、总温具有极高的峰值和较高的平台区,其工作频率10~30Hz时,压力平台值为0.36~0.91MPa,时均温度为710~1270K。此外,该爆震室排气流量十分集中,以10Hz为例,在一个爆震循环的16%时间内,排出了整个循环60.5%的燃气。为此对出口燃气总压进行质量加权平均,发现该爆震室的增压比随工作频率的增加而降低,在2.05~2.37。     

脉冲爆震发动机爆震管壁换热及冷却的实验

利用Pt100热电阻对脉冲爆震发动机(PDE)在有、无水冷状态下爆震管壁沿轴向的温度分布进行了实验研究.实验结果发现爆震管同一轴向位置处,爆震外管壁温度随爆震频率的增加而增加.同一爆震频率时,距推力壁位置越远,爆震外管壁温度相对越高.向爆震管换热系统中通入冷却水之后,爆震外管壁温度有明显的降低,并且爆震外管壁温度梯度也有一定的下降,20Hz时加水冷之后,PDE工作16s时,爆震外管壁温度最高可降低106.5℃.      

脉冲爆震发动机管壁废热加温燃油实验

在内径为110mm的大管径脉冲爆震发动机模型上,以煤油为燃料,空气为氧化剂,进行了脉冲爆震发动机不同爆震频率的管壁换热实验.实验结果发现利用管壁废热加温燃油可以提高燃油的温度,改善爆震性能并缩短爆燃到爆震的转捩(DDT)距离,也能够有效地降低发动机的管壁温度.当发动机工作在20Hz时,管壁温度最大可以降低94℃.      

螺旋脉冲爆震室实验

为缩短脉冲爆震室轴向长度以及爆燃向爆震转变距离,设计加工了螺旋脉冲爆震室,采用液态汽油为燃料,空气为氧化剂,进行了一系列实验.在实验过程中,对比研究了常规直管脉冲爆震室以及螺旋脉冲爆震室的爆燃向爆震转变性能;并分析研究了螺旋脉冲爆震室多循环工作特性.结果表明:与直管脉冲爆震室相比,螺旋脉冲爆震室爆燃向爆震转变距离至少缩短了约11.2%;螺旋脉冲爆震室可以在5~20Hz频率下稳定工作;螺旋脉冲爆震室设计方案可行.      

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.      

多循环脉冲爆震发动机概念化设计

为发展一种基于多循环爆震试验的新的脉冲爆震发动机结构设计方法，以汽油为燃料、空气为氧化剂，在内径为50mm的脉冲爆震发动机模型内产生了充分发展的脉冲爆震，根据试验结果对脉冲爆震发动机的结构参数进行了设计，设计结果更接近工程实际。研究发现，当发动机结构尺寸一定时，决定推力壁压力等效作用时间的经验常数K不是一个定值，而是随爆震频率的增大按一定函数关系减小，当爆震频率增大到一定程度时，经验常数的变化幅度逐渐减小并最终趋于常值3．90。根据得到的经验性的函数关系计算出单次爆震的经验常数K为5．35。     

过渡段对爆震波衍射过程的影响分析

为了研究过渡段对爆震波衍射过程的影响,以氢气和氧气混合物为例,对不同过渡段张角下爆震波的衍射过程进行了数值模拟,结果表明,爆震波会在过渡段壁面产生反射激波,其强度随张角的减小而增大,同时,反射激波能将传入过渡段的爆震波分为3段,并在分界处产生高温、高压点,对爆震波从预爆管向主爆管的传播具有加强作用。模拟结果对预爆管起爆主爆震管实验中过渡段的选型有一定的参考意义。     

旋转爆震发动机燃烧室气膜出流影响数值研究

针对旋转爆震发动机（RDE）壁面的高热负荷问题,开展旋转爆震发动机燃烧室壁面气膜冷却的数值仿真,探究气膜出流与爆震波、斜激波和燃烧室流场之间的相互作用以及气膜对壁面的冷却特性。研究结果表明:爆震波对气膜的压缩和冷却孔的堵塞作用明显,气膜对爆震波整体的传播特性影响较小。受爆震波和燃烧室流场的影响,气膜出流存在周期性的摆动情况,这在一定程度上影响了壁面的冷却效果。在爆震波覆盖的壁面区域,峰值壁温下降程度有限,但时均壁温的降幅超过26.9%;在斜激波覆盖区域,随着冷气量的增加,峰值壁温和时均壁温的降幅超过32.5%和51.3%,气膜对该区域壁面的冷却效果更加明显。      

连续旋转爆轰燃烧室的性能

利用二维可压缩欧拉方程数值研究了当量氢气/空气在连续旋转爆轰燃烧室(CRDC)中的流场情况,主要考查了不同CRDC周向尺寸下燃料入流总压对增压比、燃烧效率、容积热负荷及其NOx排放等性能的影响.结果表明:当CRDC周向尺寸为150mm时,随着燃料入流总压的提高,增压比基本保持不变,燃烧效率和容积热负荷均呈线性增长;当CRDC周向尺寸为250mm时,随燃料入流总压的提高,爆轰波头数加倍,容积热负荷仍呈线性增长,但是增压比及燃烧效率均出现转折性下降.与传统的等压燃烧室相比,CRDC具有更高的性能.当计算域为250mm×40mm时,增压比高达2.706,大大提高了燃气的做功能力;容积热负荷达到2.18×1010W/m3;而NOx排放质量浓度为0.692mg/m3,保证了低排放的要求.      

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。     

脉冲爆震涡轮发动机研究进展

介绍了脉冲爆震涡轮发动机的基本概念、主要结构形式以及基本特点.详细介绍了国内外研究状况及课题组的最新研究进展,对脉冲爆震涡轮发动机需要突破的关键技术、主要研究内容以及发展途径进行了探讨.研究表明:相比于传统的涡轮喷气发动机,脉冲爆震涡轮发动机的耗油率能降低5%~15%;在相同的燃烧室入口条件下,与等压燃烧驱动涡轮相比,用脉冲爆震燃烧驱动涡轮时的涡轮的单位输出功率要高;实现了由脉冲爆震燃烧室驱动涡轮,涡轮带动压气机给脉冲爆震燃烧室供气的自吸气模式,表明用脉冲爆震燃烧室代替传统等压燃烧室是完全可行的.     

旋转爆震发动机燃烧室壁面烧蚀热防护研究

为了研究碳化烧蚀材料对旋转爆震燃烧室的被动热防护作用效果,建立了旋转爆震燃烧室热环境计算模型和多层复合壁一维烧蚀热响应分析模型。基于旋转爆震燃烧过程的数值模拟,确定了沿燃烧室轴向的壁面平均温度与热流的分布特征;针对典型的壁面热负荷输入条件,采用动边界隐式差分格式,对碳化型烧蚀材料的烧蚀过程和传热过程进行了耦合计算,分析了碳化层剥蚀、热解热、热解气体质量流率、材料厚度等因素对燃烧室壁面热防护效果的影响。研究结果表明,旋转爆震燃烧室温度和热流密度分布不均匀,斜激波扫掠区域热负荷更为剧烈;碳化层剥蚀后会使烧蚀材料的烧蚀率增加,壁面温度迅速上升;增大热解热及热解气体质量流率都有利于延长工作时间、降低壁面温度; 旋转爆震燃烧室不同区域的烧蚀有一定差异,增加烧蚀材料厚度无疑有利于壁面热防护,但是在实际应用中应综合考虑壁面重量和空间尺寸。