考虑燃料雾化的气液两相连续旋转爆轰数值模拟

为研究气液两相连续旋转爆轰发动机燃烧室内爆轰波的传播特性,以汽油为燃料,富氧空气为氧化剂,建立了欧拉-拉格朗日模型进行二维数值仿真,其中气相方程采用时空守恒元与求解元方法求解,液相方程采用标准四阶龙格库塔法求解。在两相旋转爆轰模型还考虑了液滴雾化破碎过程。计算结果表明：起爆后形成的初始爆轰波经过初始燃料填充区域后逐渐衰减,随后入口附近新生成的压力波经过一系列发展形成了自持稳定传播的旋转爆轰波;旋转爆轰波的传播模态受燃料与氧化剂的喷注压力和氧化剂填充比影响,在不同工况下旋转爆轰波呈现出4种传播模态,即稳定单波模态、稳定双波模态、不稳定双波模态和不稳定单波模态;在双波模态工况下,燃烧室内初始只形成1个爆轰波,后由入口附近局部爆炸产生的压力波发展为新的爆轰波,转化为双波模态后爆轰波的强度略有下降,但燃烧室整体推力更加平稳。     

旋转爆轰波中多波流动模式的数值研究

为了研究旋转爆轰燃烧室内复杂的波系结构,特别是爆轰波多波传播模式的影响因素,采用两步诱导-放热总包反应模型,对简化的二维旋转爆轰波进行数值模拟。在不考虑环形爆轰燃烧室曲率的情况下,研究了进口总温和周向尺寸对单波及多波流场结构的影响。结果表明,一定范围内进口总温的增加会使得爆轰波的波头数目增加,且双波流场结构中存在双波对撞和双波同向两种传播形式,双波同向传播和三波同向传播之间则稳定存在着两组双波对撞流场,且有对应的温度范围;对于双波对撞模式,持续减小周向尺寸能够使得流场结构转变成单波模式;周向尺寸的增加则会使得双波对撞向双波同向传播模式转变。     

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。     

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。     

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。     

旋转爆震三维非预混混合特性及流场结构研究

为深入研究旋转爆震三维非预混流场结构,基于7组分8步反应的化学反应模型,开展了H2/Air旋转爆震流场的数值模拟研究,计算中考虑了黏性的影响。计算结果表明:该喷注结构在冷流流场中混合效果较好,能够在较短距离内实现燃料和氧化剂的充分混合,但起爆后燃烧室内形成的高压环境使得外壁面附近来流可燃气难以到达,可燃气体层主要靠近燃烧室内壁面;旋转爆震波沿燃烧室内壁面周向传播,爆震波后沿径向和周向方向形成"双诱导激波"结构,并进一步导致爆震波后出现高温区和高压区"不吻合"的流场现象;在燃烧室入口截面,爆震波后形成"三诱导激波"结构,诱导激波通过空气环缝向上游传播并对来流燃料和氧化剂的喷注产生影响。     

环缝宽度对两相旋转爆轰波压力与频率特性影响实验研究

为了研究空气喷注环缝宽度对两相旋转爆轰波压力与频率特性的影响,通过改变环缝宽度与当量比开展了大量实验研究。旋转爆轰发动机环形燃烧室外径、内径以及长度分别为204mm、166mm和155mm。汽油和高温空气采用高压雾化喷嘴与环缝对撞喷注的方式进行混合,以此提高推进剂的掺混效果与活性,发动机采用预爆轰管作为点火装置。实验通过燃烧室内测得的高频动态压力信号,对两相旋转爆轰波的传播稳定性、压力特性以及频率特性进行了详细分析。实验结果表明:在不同环缝宽度下均实现了高总温空气与汽油的两相旋转爆轰。当环缝宽度为3mm和4mm,旋转爆轰波平均峰值压力与传播频率均随着当量比增大而增大;增加环缝宽度至6mm,爆轰波传播稳定性变差,平均峰值压力与传播频率随当量比先增大后减小。当环缝宽度为4mm,获得的旋转爆轰波平均峰值压力最高,压力脉动强度最小,爆轰波传播稳定性最强。在一定工况范围内,增加当量比可有效降低爆轰波峰值压力脉动强度。此外,随着空气环缝宽度的增加,爆轰波传播频率整体降低。当环缝宽度为3mm,当量比为1.19时,爆轰波以单波模态在环形燃烧室内连续旋转传播,平均传播速度约为1176.6m/s,爆轰波传播速度存在严重亏损。     

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.      

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。     

水下点火固体火箭发动机两相流流场数值分析

利用FLUENT软件,使用湍流模型和VOF(volume of fluid)模型对水下点火固体火箭发动机的气液两相流场进行数值分析,对点火初期喷管中燃气的流动过程和燃气泡的发展过程进行了仿真,数值模拟了固体火箭发动机尾流场燃气密度、压力和温度的分布规律。研究表明:点火初期,喷管内流场将有一个完整激波建立的过程,除此之后的喷管尾流区域,由于气体受到压力扰动的影响,激波结构被破坏,没有形成连续的膨胀—压缩波;射流过程中燃气泡头部一直保持较大直径,中部燃气通道存在随轴向周期性的膨胀-压缩现象;喷管尾流区,各流动参数出现不同程度的振荡现象:喷管出口燃气密度受外界水的压缩及传质传热的影响,出现峰值后逐渐稳定;喷管出口燃气总压由于受水环境的急剧压缩,在喷管出口附近形成一个高压区;喷管出口燃气温度经三次周期变化后,温度逐渐降至1750K以内。      

当量比对连续旋转爆轰燃烧室特性的影响

为了探究当量比对甲烷-空气连续旋转爆轰燃烧室（CRDC）特性的影响,利用二维可压缩欧拉方程对CRDC进行了数值研究,分析了爆轰波的发展过程和贫燃熄火过程,对比了不同工况下CRDC特性参数的变化情况。结果表明:CRDC起爆后燃烧场在由不稳定状态到相对稳定状态的过程中发生了2次碰撞,当进气当量比较低时,CRDC未能完全发生2次碰撞过程就已经熄爆。随着进气当量比的降低,爆轰波传播速度、轴向平均速度、出口平均温度、出口平均总压均呈下降趋势;增压比随当量比降低而减小的根本原因在于旋转爆轰燃烧过程和等压燃烧过程的熵增差减小,使吉布斯自由能增量差减小。CRDC的燃料驻留时间处于亚毫秒量级,燃烧热效率保持在99%以上。      

两级脉冲爆震发动机激波聚焦起爆数值模拟

通过数值模拟手段，针对两级脉冲爆震发动机（PDE）激波聚焦点火起爆及周期性脉冲爆震进行了详细计算.结果表明:激波汇聚会在发动机内产生两个高温高压区域，且后者压力温度远高于前者，为点火关键.针对起爆失败的工况，提高温度、压力、马赫数3个条件中的任何一个都能成功起爆.通过全场周期性脉冲计算得知，保证成功点火起爆的前提下仍需要调整合适的参数才能维持稳定的周期性脉冲，发动机在入口温度600K，马赫数为2.0，压力为150kPa工况时能够产生稳定的周期性脉冲爆震，频率在300Hz附近.      

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。     

二维凹面腔内暂冲式激波聚焦机理的实验

针对两级脉冲爆震发动机中第二级凹面腔内激波聚焦起爆能量和周期的研究,设计了二维凹面腔内暂冲式激波聚焦实验系统。通过分析粒子图像测速系统捕捉的照片和动态压力数据,获得了凹面腔内激波聚焦高压区压力特性和多循环流场演化特征。并且开展了A和B两种型面凹面腔的对比实验,进一步分析了多循环激波聚焦的形成机理。结果表明:入射激波第一次在凹面腔底部聚焦后形成的聚焦反射激波在喷口射流边界上发生反射,产生的反射激波再次在凹面腔底部聚焦,形成了第二次激波聚焦,如此往复便形成了周期性的激波聚焦,聚焦频率高达7~10kHz;并且,速度场和射流强度随入射激波碰撞而减弱,在排气过程中又增强,呈现周期性变化。      

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。      

爆轰波-激波迎面作用后的稳定波系

本文为对当量比乙炔氧气混合气体中爆轰波与激波正面对撞产生稳定波系的实验和理论研究.实验主要以高速扫描摄影获取两波对撞的x-t纹影图,一维理论分析则基于三种热完全的组分求解两波对撞的稳定解并探寻它们的规律.实验发现透射波系包括一道激波和爆轰波,以及紧随爆轰波后的稀疏波区,这种波系情况与一维理论分析中CJ解一致.透射CJ爆轰与人射爆轰相比马赫数降低,而相对波前来流的传播速度有轻微提高,但在实验室坐标下其速度显著降低.透射波系受初始压强影响不大;初始温度提高使得爆轰波速度降低,而透射激波速度增加;对波系起实质影响作用的是入射激波强度,激波越强,则整个透射流场呈现偏向激波的趋势;理论分析还指出,稀疏波区的出现不可避免,当激波强度趋于声波时稀疏波区趋于消失,激波越强则疏波区趋于扩大.     

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。     

圆盘旋转爆震燃烧室中爆震波传播模态

本文的目的在于通过求解14组分19步CH4/O2反应的欧拉方程去研究燃料喷射温度、压力、燃烧室内外直径比值和燃烧室径向长度对圆盘结构下旋转爆震传播模态的影响。研究表明,只有预混气喷射温度范围为500-900K,喷射压力范围为0.5-3.5MPa的条件下能够在固定燃烧室内形成连续的旋转爆震波。受燃烧室结构影响,旋转爆震波的传播模态分为稳定模态和非稳定模态。整个非稳定传播模态根据爆震波对前周期的干涉又可以分为干涉阶段和不干涉阶段。在不干涉阶段,爆震波传播速度略高于Chapman-Jouguet (CJ)速度;在干涉阶段,爆震波传播速度低于CJ速度且爆震波被间断面分割成两部分。非稳定模态爆震波传播速度小于稳定模态,而爆震波夹角、燃烧室出口面积比则反之。