液体燃料脉冲爆震发动机点火方法研究

目前脉冲爆震发动机的起爆主要采用爆燃向爆震转变的方式实现,而爆燃波发展缓慢,消耗了循环周期的很长一段时间。为缩短爆燃向爆震转变的时间和距离,本文研究了一种新型蒸发管点火系统,用蒸发管对两相混合物进行预蒸发,在预燃室内点火形成火焰射流进入主爆震室,实现主爆震室内两相混合物的快速短距离起爆。热态实验在内径120mm,长2500mm的爆震室上进行。与火花塞直接在主爆震室点火相比起爆时间可以从12.5ms缩短到2～3ms,起爆距离可以从1350mm缩短到775mm。预燃室长度和个数对起爆过程也具有非常明显的影响,长度和个数的增加都有利于爆震波的起爆。     

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.      

热射流点火对多循环爆震管内火焰传播特性的影响

为研究热射流点火对多循环脉冲爆震特性的影响,在一台工作频率为20Hz的气动阀式PDE上开展了试验研究,重点分析了热射流点火位置与预燃室中敏感性气体的填充比对爆震管内初始火焰传播速度及压力特性的影响。研究结果表明:热射流点火的位置在爆震管头部回流区内,对爆震管内火焰传播速度影响较小,热射流点火位置在回流区外,随着离封闭距离的增加火焰传播速度减小;预燃室填充比从1.78增加到2.75,初始火焰平均速度从380m/s上升到420m/s左右,当填充比在2.75~3.45时,火焰传播速度基本保持不变。     

环形爆震室中火焰加速数值模拟及验证

对带不同数量孔板的环形爆震室进行数值模拟,并通过试验对数值计算进行验证,来研究火焰加速现象、爆燃向爆震转变过程和不同当量比下起爆距离.数值计算采用二维轴对称非定常Navier-Stokes方程来模拟流体动力学过程.研究发现用较低的点火能量对火焰混合区的可燃气点火产生低速火焰,低速火焰向环形爆震室射流并改变方向向出口传播,火焰在孔板的阻碍作用以及火焰诱导激波和反射波的加速作用下,由层流变为湍流,湍流火焰与其诱导激波相互加强,最终引爆未燃混气;还对爆震波在孔板区的传播过程进行了分析,对不同当量比下的火焰速度和起爆距离进行了模拟研究.      

多爆震室串联热射流起爆实验研究

为消除现有脉冲爆震发动机对外部脉冲起爆装置的依赖并提高脉冲爆震燃烧室工作频率,提出了一种多个爆震室封闭串联的多管燃烧室方案,通过管间的射流传递实现爆震室内的快速短距离起爆。实验结果表明,多个爆震室间可以实现逐级射流起爆,并且可以实现快速起爆,起爆所需要的时间约为1．0～1．2ms,起爆距离约为500mm,远远小于火花塞直接点火时的结果。弱火焰射流可以通过逐级增强的方式最终在下游某个爆震单元内形成爆震波。单个爆震室内射流进入和射出的时间问隔可以达到1．2～1．5ms,大约需要8个爆震单元才可能实现爆震波的封闭串联传播：     

热射流点火对爆震管内火焰加速及爆震波触发影响的数值研究

为研究热射流点火对爆震管内火焰加速及爆震波触发的影响,运用34步26组分丙烷基元反应进行了二维数值模拟,获得了5种不同的热射流发生器几何结构下的爆震管内火焰传播规律及缓燃向爆震转捩(deflagration to detonation transition,DDT)的时间与距离.结果表明:爆震管中湍流在火焰加速阶段起着重要作用,在爆震波触发阶段激波与火焰相互作用占有主导地位.根据DDT过程的定义,得到DDT时间在1.4~2.0ms之间,同时发现热射流发生器长度为150mm,热射流发生器孔径在8mm时DDT时间最短,热射流发生器长度及孔径对DDT距离的影响不大.      

火焰加速和爆燃向爆震转变过程的数值模拟及试验验证

为了研究火焰加速现象、爆燃向爆震转变和不稳定爆震向稳定爆震的转变过程,对带环形孔板的爆震室进行了数值模拟.研究发现用较低的点火能量对爆震室中的燃料和氧化剂点火产生层流火焰,在孔板的阻碍作用和火焰诱导激波以及反射波的加速作用下,经过几个孔板的阻碍加强作用,在火焰和强激波之间的未燃物中形成爆炸中心,最终引爆未燃混气.同时对爆炸波向稳定爆震转变过程中遇到孔板产生三波点,以及马赫波向入射波转变的全过程进行了分析;对不同燃料在不同当量比下的起爆距离进行了研究,并与试验结果进行了对比.通过分析,对火焰加速和爆燃向爆震转变的过程有了更加全面的认识,为进一步试验提供了参考.      

点火方式对空桶型旋转爆震燃烧室起爆特性的影响

为了揭示空桶型旋转爆震燃烧室内爆震波的建立过程及工作特性，分别采用火花塞点火、垂直预爆震管点火和切向预爆震管点火，实验研究了不同点火方式下的爆震波起爆和稳定传播特性。喷注器采用环缝-喷孔对撞式设计，燃料和氧化剂分别为乙烯和富氧空气。结果表明，在空桶型旋转爆震燃烧室中，3种点火方式均可成功起爆并获得稳定传播的爆震波，点火方式对旋转爆震波的传播方向影响较小；与火花塞点火相比，垂直预爆震管点火和切向预爆震管点火均能拓宽旋转爆震燃烧室的稳定工作范围；在氧化剂供给流量和当量比相同的条件下，点火方式的改变并未影响旋转爆震波的传播速度大小；使用预爆震管点火时，旋转爆震波的建立时间较火花塞点火短，且呈现出更小的离散性。     

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.     

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%.      

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.      

测量爆燃到爆震转捩距离的离子探针技术研究

为了测量爆震管中从爆燃到爆震转捩距离,研制了一套基于对比电路的离子探针系统。通过该系统测量爆震管中火焰传播速度的轴向分布,确定了爆燃到爆震的转捩距离。系统结构简单,造价低廉,可用于高温环境下测量。运用该系统测量的乙炔与氧气混合气从爆燃到爆震转捩的距离,其结果与采用高频响的压力传感器系统的测量结果一致。      

预燃式等离子体射流点火器工作特性实验研究

为解决发动机点火包线小于飞行包线的实际问题,提供等离子体点火技术在航空发动机中的工程应用新思路,论文设计了一种预燃式等离子体射流点火器,实验研究了放电特性和射流特性。结果表明,预燃式等离子体射流点火器与空气等离子体射流点火器相比,在提升射流能量降低电源功率方面有着较大的优势,电流相同时通入甲烷在较大流量时可减小驱动电源功率,总流量为44L/min时,减幅可达14.99%;同时预燃式等离子体射流较空气等离子体射流稳定,且射流长度增加,扩大了点火面积,有利于点火。     

不同端面密封条件下缓燃-爆震转捩特性试验

为研究不同端面封闭程度时缓燃-爆震转捩(DDT)的特性,在60 mm×60 mm×2 000 mm方爆震管内,在封闭端设置了5种阻塞比的方孔,针对4种余气系数用乙炔(C₂H₂)和空气混合物进行了单爆震性能研究.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缓燃向缓燃-爆震转捩(DDT)转捩位置处爆震管内的压力、火焰传播速度和方向.分析结果表明:①随端面阻塞比的增大,DDT的距离会变长;②端面的封闭程度并不影响DDT转捩的本质特性.