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。     

燃烧室轴向长度对旋转爆震发动机性能的影响

采用氢氧单步化学反应模型,对以当量比为1.0的氢气空气预混气为反应物的旋转爆震发动机（RDE）进行了数值模拟,系统研究了燃烧室轴向长度对RDE性能的影响.通过详细分析燃烧室进出口气体状态参数,揭示了燃烧室轴向长度对发动机影响的内在机理.研究结果表明:燃烧室轴向长度过短时,爆震波的形成不够充分;在发动机推力中,动量推力占主要部分;在计算的燃烧室轴向长度范围内,发动机的比冲为5410~5566s,燃烧室轴向长度对发动机比冲的影响较小.      

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.      

不同燃烧室长度的旋转爆震发动机实验研究

为了研究燃烧室长度对旋转爆震发动机(RDE)推力和比冲的影响,设计了RDE推力试验台,以环形燃烧室内径和外径分别为70mm和80mm的RDE作为实验模型,发动机采用环缝-喷孔对撞式掺混方式,以H2和Air分别作为燃料和氧化剂,使用高能火花塞直接点火,并用压电式力传感器测量推力,实验研究燃烧室长度分别为40mm,60mm,90mm和120mm的发动机工作性能。通过实验发现,燃烧室长度对RDE稳定工作的工况范围有很大的影响;在稳定工作的工况范围内,燃烧室内的爆震波的传播速度及RDE的推力和比冲随着入口质量流量的增大而逐渐提高,而当量比和燃烧室长度均存在一个最佳值,使爆震波的传播速度及RDE的推力和比冲达到最大值。针对于本论文中的RDE实验模型,基于混合物的比冲最高能够达到74.61s。     

两相脉冲爆震火箭发动机性能实验

为了获得脉冲爆震火箭发动机（PDRE）的性能参数,采用液态煤油为燃料、氧气为氧化剂、压缩氮气为隔离气体,进行了一系列多循环爆震实验。使用孔板流量计测量煤油流量,使用集气法测量氧气流量,使用动态压电式压力传感器测量了爆震室轴向的沿程压力,使用火焰温度及水蒸气浓度红外光谱测量仪测量爆震管出口平面的尾焰温度,使用动态压电式推力传感器测量PDRE所产生的瞬时推力。实验获得PDRE不同频率下的平均推力和比冲。实验结果表明：爆震压力和温度随着工作频率的变化而有所变化,填充系数对于PDRE比冲大小有着显著影响。采用爆震室部分填充的策略,可以显著地提高发动机比冲。     

气流出口型面对凹面腔内激波聚焦起爆的影响

为提高两级脉冲爆震发动机工作的可靠性，探寻强化凹面腔内激波聚焦起爆爆震波的方法，通过数值模拟，采用氢气作为燃料、空气作为氧化剂，探讨了3种凹面腔气流出口型面及出口面积对激波聚焦起爆的影响。结果表明:采用垂直出口壁面有助于提高凹面腔内的激波聚焦起爆压力和温度，使起爆时刻提前，随着出口面积的减小，激波聚焦峰值压力有较大的提高；但效果不如垂直壁面，随着倾斜壁面出口面积减小，起爆点的压力和温度只有小幅度增加，起爆时刻基本无变化；采用弧形出口壁面，不能对向凹面腔底部传播的激波产生反射强化作用，不能有效起爆爆震波。对比3种出口壁面型面，垂直壁面能更有利于凹面腔内的能量聚集，强化激波聚焦起爆爆震波。      

旋转爆震冲压发动机总体性能分析

为了快速可靠地评估旋转爆震冲压发动机的总体性能，针对冲压模态下的旋转爆震发动机建立了性能分析模型。模型以飞行条件和冲压发动机关键几何参数作为输入参数，结合气体动力学和C-J爆震理论，获得旋转爆震燃烧室的流场参数分布以及发动机喷管排气参数，输出发动机推力以及燃料比冲，建立了基于连续旋转爆震的冲压发动机性能评估方法。模型参与反应的燃料和氧化剂分别为煤油以及空气，主要研究了燃料温度、喷管喉部面积、燃烧室环面面积、反应物当量比、飞行马赫数以及飞行高度对发动机燃料比冲、推力的影响趋势。研究结果表明，控制其它变量不变，发动机推力与燃料比冲随燃料温度上升而提高；随喷管喉部面积、燃烧室环面面积减小而增大；随飞行高度增加而降低；燃料比冲随当量比、马赫数增大而减小，而推力随当量比、马赫数增大而增大。在高度为25 km、马赫数为4、当量比为0.6的工况下，发动机燃料比冲可达到1 740 s。分析结果表明，模型计算方法可靠，可快速计算出旋转爆震冲压发动机的推力性能，为旋转爆震冲压发动机的设计提供可靠参考。     

爆震波逆向传播抑制特性数值仿真

为了发展爆震工作条件下进气涵道运动激波前传抑制技术,采用非定常数值方法开展了爆震发动机进气涵道流动特性 与高频强扰动抑制技术研究。结果表明：受出口高频强压力扰动影响,涵道内存在逆向传播的运动激波。在运动激波逆向传播过 程中激波强度与压力脉动强度先衰减后增强,运动激波传播速度逐渐减小直至为零。刚性障碍物高度影响运动激波传播特性。 随着障碍物高度增加,压力脉动谷值逐渐降低并向下游移动,同时结尾激波向上游移动,波前马赫数降低,结尾激波强度减弱,使 出口马赫数和总压恢复系数均增大;合理选取刚性障碍物高度可以有效降低压力脉动强度,当障碍物高度为进气涵道出口高度的 0.07倍时,涵道内的总压恢复系数达到了0.884,脉动强度谷值最大下降36.6%,对上游的影响相对较小。     

燃烧室长度对液态燃料旋转爆轰发动机性能影响实验研究

为了研究燃烧室长度对液态燃料旋转爆轰发动机性能的影响,在环形阵列式连续旋转爆轰发动机上,以汽油/富氧空气为工质,详细分析了不同燃烧室长度下爆轰波传播模态、平均压力峰值和传播速度的变化特征。测量了发动机模型在不同燃烧室长度下的一维推力,分析了推力和燃料比冲的变化趋势。实验结果表明:出口背压为大气压时,空气流量为762.9g/s,氧气流量为182.4g/s,汽油流量为84.3g/s,当量比为0.82,燃烧室长度L=235mm工况下爆轰波为稳态双波对撞模态,平均压力峰值和传播速度分别为0.9MPa和1068m/s,爆轰波传播频率为2.223kHz。当L235mm时爆轰波为非稳态双波对撞模态,平均压力峰值变化较小,传播速度随着燃烧室长度变短而降低。仅在L=135mm工况下,爆轰波传播速度略高于L=155mm工况点,推力和燃料比冲分别为579.5N和701.5s。当155mm≤L235mm时推力和燃料比冲随燃烧室长度增加而缓慢增大,L=235mm时推力和燃料比冲分别为607.3N和735.1s,L235mm时推力和燃料比冲变化趋于平缓。     

脉冲爆震火箭发动机和小推力液体火箭发动机的性能对比分析

为了了解脉冲爆震火箭发动机的性能优势,对比了脉冲爆震火箭发动机和小推力液体火箭发动机的推力和比冲,其中脉冲爆震火箭发动机的性能计算采用等容循环计算模型.结果表明:真空状态下,随燃烧室进口温度的升高,比冲增加不大;在推进剂和发动机结构尺寸相同的情况下,脉冲爆震火箭发动机产生的推力比小推力液体火箭发动机的多3.0倍至6.8倍,但比冲相当.     

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。     

直连式脉冲爆震发动机性能试验研究

为了掌握脉冲爆震发动机起爆和推进性能，基于汽油／空气脉冲爆震发动机模型机直连试验，开展不同工作频率下的起爆和推进性能试验研究。结果表明：模型机能在0～35Hz范围内快速起爆、稳定工作，爆燃向爆震转变距离约0．9m。随着工作频率的提高，平均推力成线形增大，但平均推力增加的斜率随着频率的升高有所降低。随着频率提高，体积比冲和混合物比冲均逐渐增加，趋势类似；频率25Hz时的体积比冲和混合物比冲最高。燃油比冲随着频率提高显著增加，单位燃油消耗率则逐渐降低；频率超过25Hz时，燃油比冲和单位燃油消耗率变化不大。     

Thrust measurement method verification and analytical studies on a liquid-fueled pulse detonation engine

In order to test the feasibility of a new thrust stand system based on impulse thrust mea- surement method, a liquid-fueled pulse detonation engine （PDE） is designed and built. Thrust per- formance of the engine is obtained by direct thrust measurement with a force transducer and indirect thrust measurement with an eddy current displacement sensor （ECDS）. These two sets of thrust data are compared with each other to verify the accuracy of the thrust performance. Then thrust data measured by the new thrust stand system are compared with the verified thrust data to test its feasibility. The results indicate that thrust data from the force transducer and ECDS system are consistent with each other within the range of measurement error. Though the thrust data from the impulse thrust measurement system is a litter lower than that from the force transducer due to the axial momentum losses of the detonation jet, the impulse thrust measurement method is valid when applied to measure the averaged thrust of PDE. Analytical models of PDE are also discussed in this paper. The analytical thrust performance is higher than the experimental data due to ignoring the losses during the deflagration to detonation transition process. Effect of equivalence ratio on the engine thrust performance is investigated by utilizing the modified analytical model. Thrust reaches maximum at the equivalence ratio of about 1.1.     

扩张管和燃料部分填充对PDE效能的影响

采用基于有限速率基元化学反应模型的网格自适应有限体积方法,数值模拟以脉冲爆轰发动机为背景的爆轰波通过扩张喷管的流场,研究了喷管形状及喷管充气状况对脉冲爆轰发动机推进性能的影响。结果表明,氢-氧混合物产生爆轰波的等截面爆轰管冲量在某一比例合适的部分填充时达到最大,而对较大扩张角的喷管来说,其冲量一般随喷管内可燃气体填充比例的增加而增加,比冲通常随可燃气体填充比例的减少而增加;合适的喷管和燃料填充系数能使比冲显著提高。     

脉冲爆震发动机稳定工作性能的实验研究

为了对脉冲爆震发动机不同工作频率下稳定工作范围进行深入的研究,实验对汽油/空气可爆混气在不同工作频率、不同当量比下爆震发动机模型机的爆震压力和推力进行了测试,找出了不同频率下发动机稳定工作的最大和最小当量比。实验发现,当工作频率较低时发动机的稳定工作范围较宽,随着工作频率的增大,发动机的稳定工作范围逐渐变窄。在同一工作频率下,爆震发动机的平均推力随着当量比的增加是先增后降,但变化幅度很小,而混合比冲则是随着当量比的增加急剧下降。另外,在当量比一定的情况下,脉冲爆震发动机的平均推力随着工作频率的提高接近线性增加。     

气动阀式脉冲爆震发动机部分充填机理研究

研究了不同部分充填比例对煤油/空气气动阀式脉冲爆震发动机(PDE)的爆震波压力特性影响,初步分析了部分充填的爆震管内一系列波相互作用的机理.研究结果表明,在气动阀选定、爆震管长度和爆震管内部结构一定条件下,随着脉冲爆震发动机可爆混气充填爆震管比例的降低,虽然爆震波压力峰值略有下降,但是,单位体积可爆混气获得的冲量线性增加,提高了脉冲爆震发动机的工作性能.研究结果对于煤油/空气气动阀式脉冲爆震发动机的总体优化设计,提高PDE的工作性能具有重要的参考价值.     

连续旋转爆轰发动机参数特性的三维数值模拟

采用一步化学反应模型,基于任意坐标系下Euler控制方程,对连续旋转爆轰发动机(CRDE)进行了三维数值模拟研究,详细分析了来流总压对CRDE参数特性的影响.研究发现:随着来流总压的增大,爆轰波峰值随之增大,但是燃烧室头部Laval型喷注段的壅塞比基本不变.不同来流总压下,可燃气体在燃烧室头部均以亚声速入射.随着来流总压的增大,燃烧室内流场的平均压强增大,但是其平均轴向流速基本不变.CRDE的流量、推力和比冲均随着来流总压的增加而变大;但是,不同来流总压下,CRDE的流量与Laval型喷注段最大流量之比不变,并且此比值约等Laval型喷注段的壅塞比.Laval型喷注段最大流量与来流总压成正比,因此以上分析从理论上进一步解释了CRDE的流量与来流总压成正比的原因.