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。     

喷嘴位置对脉冲爆轰发动机性能影响的试验研究

为了研究喷嘴位置对脉冲爆轰发动机性能的影响,设计加工了直径为80mm的汽油/空气两相脉冲爆轰发动机（PDE）,在PDE文氏管内不同位置安装喷嘴,进行了冷态雾化和热态燃烧转爆轰试验,分析了马尔文激光粒度仪测得的液滴尺寸分布和动态压力传感器测得的信号。试验结果表明：喷嘴的安装位置对脉冲爆轰发动机的性能具有显著影响;喷嘴安装在文氏管喉部时爆轰管内雾化混合效果最好,爆轰波峰值压力最大为3．5 MPa,工作频率最高为30Hz;喷嘴安装在文氏管入口时爆轰管内雾化混合效果最差,爆轰波峰值压力最小为0．9MPa,工作频率最低为15 Hz;在试验范围内,改善雾化混合效果有利于提高脉冲爆轰发动机的工作频率。研究结果对脉冲爆轰发动机的设计具有参考价值。     

冲压发动机尾喷管实验新方法

阐述冲压发动机尾喷管地面模拟实验的新方法。采用双爆轰技术产生稳定的高焓燃气模拟高马赫数飞行条件下冲压发动机的燃烧气体;利用皮托管测量尾喷管推力,并对测量误差进行了分析;为研究催化复合效应增大推力提供实验基础。     

液氧甲烷发动机点火冲击特性研究

为研究液氧甲烷发动机燃烧室点火冲击特性及影响因素,根据爆轰波产生的机理,建立了甲烷推进剂液相蒸发数学模型,采用C-J（Chapman-Jouguet）爆轰理论,计算和分析了不同混合比、初温及初压对爆轰参数的影响规律。结果表明,爆轰波的强度与初压、初温及混合比密切相关。初压越高,初温越低,越接近化学当量混合比时,爆轰压比、温度比和爆轰速度越大;减小点火时刻推进剂积存量,增强燃烧装置点火能力,可降低爆轰波强度,减少点火瞬态冲击。     

主燃烧室采用增压燃烧的涡扇发动机 热力过程和性能分析

为了研究主燃烧室采用增压燃烧（PGC）的涡扇发动机性能，建立了其热力循环过程计算模型，采用考虑增压特性的传 统涡扇发动机性能计算方法，分析了增压比、涡轮前温度、涵道比、飞行速度、飞行高度等循环参数对增压燃烧涡扇发动机的性能 影响，并与传统涡扇发动机的性能进行了对比评估。结果表明：增压燃烧发动机循环效率高于等压燃烧发动机的，且加热比越大， 增压燃烧发动机性能优势越明显。初步获得了不同循环参数对增压燃烧涡扇发动机的性能影响规律。与同参数的传统涡扇发动 机相比，在总增压比为25~45、涡轮前温度为1500~1800 K内，增压燃烧涡扇发动机的单位推力增大4.7%~8.6%，耗油率降低4.6%~ 8.5%；在飞行高度为15 km、马赫数为0~3内，增压燃烧涡扇发动机的推力增大4.1%~27.6%，耗油率降低2.3%~11.4%，并且飞行马 赫数越高，增压燃烧涡扇发动机的性能优势越大。     

基于煤油的旋转爆轰发动机流场数值模拟

为了深入研究气液两相旋转爆轰发动机的流场结构，建立了非定常两相爆轰的Eulerian-Lagrangian模型，使用SST（shear-stress transport） k-ω模型，采用一步反应机理的化学反应模型，进行了煤油/空气非预混的二维数值模拟。结果表明，采用30 μm粒径的液滴颗粒，在来流总温1 000 K的空气流中，液滴经历雾化破碎、蒸发、混合过程，在当量比0.70~1.15范围，形成稳定单个旋转爆轰波；煤油液滴被爆轰波扫过后未完全燃烧，部分煤油组分混杂在高温产物中沿下游排出；在燃烧室入口处，爆轰波前形成的空气三角形区域面积大于液滴颗粒三角形区域。     

脉冲爆轰发动机内三维两相爆轰的数值计算

根据脉冲爆轰发动机内脉冲爆轰的特点,建立三维两相爆轰的理论模型。应用国际上最近发展起来的CE/SE方法,数值模拟爆轰管内三维两相燃烧转爆轰的过程。计算结果表明:当点火起爆后,在燃烧转爆轰过程中,三维效应非常明显。当形成稳定爆轰波后,三维效应不明显。计算压力值和实验压力值符合得较好。     

旋转爆轰发动机工作过程的数值模拟

为了深入研究旋转爆轰发动机工作过程,采用高精度高分辨率迎风通量分裂格式(AUSMPW+)、氢氧7组分8反应化学动力学模型,求解三维带化学反应的Euler方程。对旋转爆轰发动机工作过程进行了数值模拟,分析了采用预爆轰管点火过程的流场特征以及整个发动机推力、推力偏心距、侧向力随时间的变化规律。计算结果表明:切向预爆轰管紧贴喷注入口时,点火过程仅产生一道单向爆轰波,能成功点燃旋转爆轰发动机;在本文给定的计算条件下,旋转爆轰发动机平均推力约180N,旋转爆轰波传播频率约为14285Hz;旋转发动机正常工作过程中,推力偏心矩、侧向力随时间周期性变化。     

连续旋转爆轰发动机流场三维数值模拟

对连续旋转爆轰发动机(continuous rotating detonation engine,简称CRDE)流场进行了三维数值模拟.数值计算获得同轴圆管腔内CRDE的多个爆轰循环过程.依据计算获得流场,分析了可燃气入射、提前燃烧、爆轰波结构等实现连续爆轰的几个关键机理问题.通过多个算例对不同来流总压时的旋转爆轰的推进性能进行了比较与分析,最后计算获得基于燃料的比冲约为2 200 s,燃料流量随总压变化呈线性增长.      

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。     

进气温度和当量比对脉冲爆轰发动机工作过程影响

为了研究进气温度和当量比对脉冲爆轰发动机工作过程的影响,建立了带简单化学反应的气液两相爆轰欧拉-拉格朗日模型,使用二维时空守恒元与求解元(CE/SE)方法和变步长4阶龙格-库塔法分别求解气液两相爆轰方程.计算结果表明:提高进气温度,能加速液滴雾化、蒸发,缩短燃烧转爆轰距离和时间,但是会降低爆轰波的峰值压力;当量比小于1.1时,增加当量比,能缩短燃烧转爆轰距离和时间,提高爆轰波的峰值压力,加快爆轰波传播速度;当量比大于等于1.1时,增加当量比,能小幅提高爆轰波速传播度和缩短燃烧转爆轰距离和时间,但对爆轰波的峰值压力影响很小.      

发动机湍流燃烧多物理耦合建模和仿真进展

航空发动机燃烧室喷雾燃烧包含液滴破碎、雾化、蒸发、掺混、燃烧等多个物理过程，各物理过程相互耦合，产生出预混、 非预混、自着火等多种燃烧模式，不同的燃烧模式表现出的湍流-化学反应相互作用也各不相同，对发展普适的湍流燃烧模型提出了巨大挑战。针对多物理场耦合的湍流燃烧过程进行物理建模成为湍流燃烧建模研究的主要任务之一。此外，航空发动机湍流燃烧研究也面对着工程设计和优化的客观需求，即发展效率和精度兼顾的高效湍流燃烧仿真方法并量化湍流燃烧控制物理机制，为燃烧组织调控提供指导。综合上述内容，从发动机两相喷雾燃烧模式、自适应燃烧建模和主控物理机制分析等方面点评和回顾了近期的基础研究进展，对当前的研究现状做了初步总结。     

连续爆轰发动机热力学性质的数值模拟

在二维圆柱腔中连续爆轰发动机数值模拟的基础上,对喷入流场中的粒子进行跟踪,得到经历不同燃烧过程的粒子轨迹图.分析影响粒子轨迹及其上物理参量变化的主要因素.数值模拟得到相应的示功图和示热图,计算连续爆轰发动机的机械功及热效率,将数值模拟结果与理想ZND(Zeldovich-Neumann-Doring)模型进行定性和定量的比较,所得数值模拟结果与理论结果符合 得很好,验证了连续爆轰发动机的优势.      

圆柱坐标系下连续旋转爆轰发动机的数值模拟

使用两步化学反应模型对连续旋转爆轰发动机(Continuous rotating detonation engine,CRDE)进行了二维数值模拟研究。数值计算获得了同轴圆管腔中间层曲面上连续爆轰的多个循环过程。分析了燃料入射、提前燃烧、爆轰波结构和波传播速度等几个关键问题。计算获得燃烧室内流场结构与之前实验研究结果定性符合。计算中燃料以最大1400m/s沿轴向入射,爆轰波可约以2400m/s沿周向连续循环传播。计算的燃烧室内爆轰波循环频率约为2300Hz。     

吸气式PDE中心锥鳞片阀工作原理与试验研究

为了增强吸气式脉冲爆轰发动机进气阀的防倒流效果、缩短发动机的燃烧转爆轰时间,设计了中心锥鳞片阀(CCSV),并进行了中心锥鳞片阀(CCSV)与中心锥钝体阀(CCBV)的对比试验研究。采用精细雾化喷嘴作为雾化装置,成功实现了10Hz工况下中心锥鳞片阀吸气式脉冲爆轰发动机的协调工作,爆轰波平均峰值压力为1.65MPa,爆轰波速度为1371m/s。研究结果表明:中心锥鳞片阀(CCSV)具有良好的单向阀功能,有效地防止了燃气倒流,缩短了燃烧转爆轰时间。相比于中心锥钝体阀(CCBV),燃烧转爆轰时间下降了19.03%。     

高能固体推进剂燃烧转爆轰（DDT）研究综述

以固体火箭发动机装药安全性为背景，从高能固体推进剂的燃烧转爆轰（简称ＤＤＴ）危险性、燃烧转爆轰机理和燃烧转爆轰的模拟三方面对该问题的研究工作进行了综述，重点讨论了ＤＤＴ过程中起关键作用的动态压缩现象、压缩燃烧和热点形成机理，以及ＤＤＴ建模中的本构关系和封闭问题，指出了今后进一步研究的方向。     

燃烧风洞不同模拟方式对超燃发动机性能影响试验研究

为了研究燃烧加热风洞不同模拟方式对超燃冲压发动机性能的影响,采用相同流道的发动机模型,在模拟"静温+静压"的酒精燃烧加热和模拟"焓值+动压"的氢气加热这两种燃烧加热风洞上,开展了不同模拟方式对超然冲压发动机性能对比试验,结合飞行试验数据和对模拟方式的理论推导与分析,对风洞试验数据进行了详细的对比分析。根据分析可知:采用燃烧风洞进行超然冲压发动机性能研究时,模拟参数应该选取"焓值、动压和发动机油气比"等参数;本研究中在Ma5状态时,酒精燃烧风洞来流的"焓值和动压"与实际参数相差不大(小于3%),其发动机性能与氢气燃烧加热风洞的发动机性能基本一致;在Ma6状态时,酒精燃烧风洞来流的焓值与实际参数相差了约10%,性能也出现了明显的差异。     

脉冲爆轰发动机预爆轰点火数值模拟

本文采用二维数值模拟对脉冲爆轰发动机点火方式中的预爆轰点火进行了分析研究。模拟了预爆轰管在主爆轰管上的两种最基本的布置方式：平行布置方式和正交布置方式。讨论了预爆轰管的布置方式和几何形状对点火的影响。结果表明：正交布置方式优于水平布置方式，因为反射激波在点火过程中起到了非常重要的作用。预爆轰管和主爆轰管的内径比是影响点火的重要参数，而长度的影响则较小。     

不同增压模式对压燃式航空活塞发动机性能的影响研究

压燃式航空活塞发动机在高空环境下易出现动力衰减、推力不足等关键问题，因此，增压系统的匹配研究和优化至关重要。基于GT-Power软件构建一维整机热力学模型，探究了不同海拔下增压模式以及高压级压气机叶片开度对压燃式航空活塞发动机性能的影响。研究表明：海拔4000m下，在3400r/min工况点，相较于固定截面增压(FGT)，采用可变涡轮截面增压(VGT)技术后，燃烧始点提前了31.7%，转矩和功率分别提高36%,43.5%，泵气损失增加10.5%；而采用可调两级增压(RTST)后性能提升效果更显著，使发动机工作升限从5480m提升到了6000m，但在高转速下，RTST增压效率以及对发动机动力性能的增幅会出现下降趋势；低海拔下，随RTST高压级VGT叶片开度的减小，燃烧始点推迟，功率降低，油耗增加；高海拔下，燃烧始点、功率和油耗随叶片开度的减小而呈现与低海拔时相反的趋势。     

含铝固体燃料冲压发动机工作性能分析

为探究含铝固体燃料冲压发动机的燃烧特性和工作性能，基于纳米铝颗粒和端羟基聚丁二烯（HTPB）的混合固体燃料，采用雷诺转捩模型、颗粒表面反应模型和涡概念耗散模型，建立了二维两相湍流燃烧模型；数值计算分析了含铝固体燃料冲压发动机内流场，以及不同含铝质量分数和粒径下的燃面退移速率、推力与比冲。结果表明：发动机的进气条件对颗粒相的燃烧与运动起主导作用；与纯HTPB推进剂相比，添加质量分数为5%的铝颗粒能够提高补燃室压强和温度，增大燃烧室内高温区面积，可使推进剂平均燃面退移速率提高18.53%，发动机推力提高21.37%，密度比冲提高2.38%，适当增加铝颗粒含量或减小粒径，对提高推进剂燃面退移速率、发动机推力和密度比冲具有积极作用。