基于自适应网格的钝头体激波诱导燃烧现象数值模拟研究

钝头体激波诱导燃烧是爆震研究的一个基本问题。针对化学恰当量比的H2/Air预混气在Ma=4.79和Ma=6.46时的激波诱导燃烧现象开展数值模拟研究，采用基于有限体积法的块结构自适应网格加密程序AMROC对带化学反应源项的轴对称Euler方程解耦求解，考察了数值模拟中不同形式的MUSCL重构格式、限制器类型以及化学反应机理等重要因素对模拟结果的影响。结果表明，程序能够根据设定的加密判据较好地实现网格自适应加密，减小总网格量，实现高效数值模拟。通过与实验数据的对比，表明非定常激波诱导燃烧算例的准确程度不仅取决于化学反应机理，也取决于限制器类型，而采用两种不同形式的MUSCL重构格式获得的振荡频率则几乎一致，与试验结果的误差分别为1.17%和0.97%。模拟对比经典的Jachimowski机理和近年来新发展的几种包含压力相关反应步的氢/氧反应机理，模拟结果表明：对于Ma=4.79时的非定常激波诱导燃烧模拟，经典的Jachimowski机理仍然是能够给出与实验结果最接近的反应机理；而对于Ma=6.46时的定常激波诱导燃烧模拟，几种反应机理均能给出与实验吻合较好的结果。     

煤油/氧气预爆器爆震波特性研究

为了解决液态煤油旋转爆震发动机短距离快速起爆问题，进行了煤油/氧气预爆器方案设计。此方案包括双级轴向旋流和离心喷嘴匹配方案、半圆轴向垂直预爆管和圆管切向预爆管等设计，建立了液态煤油/氧气预爆器爆震波特性试验台。探讨了不同工作时序、当量油气比、预爆管结构等对预爆器爆震燃烧特性的影响。结果表明预爆器产生的爆震波压力达到4.0MPa以上，爆震波传播速度高于1300m/s，液态煤油/氧气最佳当量油气比存在于0.6-0.73之间一点。对比半圆轴向垂直预爆管和圆管切向预爆管，圆管模型爆震波压力明显高于半圆管模型，而传播速度却低于半圆管模型，圆管模型整体存在着前导激波的生成，而半圆管模型却在生成的爆震波后方有明显的压力波动现象     

脉冲爆震火箭发动机应用基础问题研究进展

脉冲爆震火箭发动机是一种通过产生周期性爆震波获得推力的动力装置，具有热效率高、结构简单、适用范围广等潜在优点。在面向应用时，为了充分发挥脉冲爆震火箭发动机的优势，需要解决诸多理论及工程性问题。目前已有大量的研究正在建立统一的爆震推进理论体系，以期为基于爆震推进方式的问世奠定理论和技术基础。针对应用可能遇到的问题，介绍了国内外相关研究进展。主要内容包括:两相爆震发动机技术，短距低阻起爆技术，发动机性能优化以及PDRE样机实验。关于两相爆震发动机技术，主要介绍了液态燃料爆震燃烧时的速度损失，液态燃料的雾化以及与气态氧化剂的掺混，最新进展包括通过加热燃油提高其雾化性能，从而提高推进性能；关于短距低阻起爆技术，主要介绍了固体障碍物起爆、流体障碍物起爆、热射流起爆以及激波聚焦起爆这4种方式的最新进展，其中固体障碍物起爆技术最为常见，而采用流体障碍物起爆技术可以更多地降低起爆过程中的性能损失；关于发动机性能优化，主要介绍了部分填充效应、尾喷管技术以及高频控制技术，部分填充以及尾喷管的使用有利于推进性能的提升，但在设计理论上仍需要更深入的研究，目前采用无阀工作方式可以有效提高发动机的工作频率；关于样机集成，主要介绍了目前出现的脉冲爆震发动机样机以及相关实验研究。     

旋转爆震发动机轴向脉冲爆震模态的实验研究

实验研究了环形燃烧室中的轴向脉冲爆震现象，结合高频动态压力测量以及尾部高速摄影，对轴向脉冲爆震模态的工作过程进行了分析。实验结果表明，对于氢气与空气混合物，当出口阻塞比大于或等于0.6且出口最小截面积处的质量通量大于200 kg/（m2·s）时，燃烧室出现轴向传播的爆震波；爆震波在每个周期内将经历解耦与重新起爆的过程，出口截面反射的激波在燃烧室头部发展成为爆震波，并伴随剧烈发光现象。爆震波在周期内的平均传播速度与燃烧产物声速相当，采用线性声学理论可以对该模态下的工作频率进行较好的预测。     

基于特征线理论的旋转爆震流场结构特征研究

特征线理论及其计算方法是气体动力学的经典理论与方法，应用于旋转爆震流场分析具有简单高效的特点。将坐标系建立在爆震波上，对旋转爆震流场进行简化，采用特征线理论并结合流场计算单元过程，建立旋转爆震流场计算模型。研究了当量比和喷注参数对氢气/空气、甲烷/空气以及辛烷/空气3种不同预混气的旋转爆震流场结构特征的影响。结果表明:爆震波高度和倾斜角度受混气当量比和喷注总温影响明显；燃料由小分子氢燃料变为大分子碳氢燃料时，爆震波高度和倾斜角度逐渐减小；混气当量比和喷注总温主要通过影响爆震波传播速度、高度和倾斜角度而影响爆震波后宏观流场特征趋势。     

基于双火花塞点火策略的活塞式航空煤油发动机爆震控制

在一台650 mL单缸活塞式航空发动机上,针对双火花塞点火方式对活塞式航空煤油发动机的爆震控制进行了试验研究。结果表明:采用两个火花塞同步点火,且将点火提前角推迟可以有效的抑制爆震,同时燃烧放热率幅值逐渐降低,整体燃烧相位逐渐推迟;采用双火花塞异步点火随着点火提前角点火相位差的增加,爆震强度逐渐降低,通过匹配主火花塞点火提前角与副火花塞点火提前角可进一步提升发动机的动力性。      

障碍物对脉冲爆震火箭发动机性能影响的实验研究

为了探究障碍物对脉冲爆震火箭发动机在无阀自适应工作方式下性能的影响，采用汽油为燃料，富氧空气为氧化剂，开展了工作频率为20Hz的无阀式多循环实验研究。实验中使用Shchelkin螺旋、螺旋凹槽、环形凹槽和孔板作为障碍物，并分析了其对起爆和推进性能的影响。研究结果表明，Shchelkin螺旋、螺旋凹槽和环形凹槽在阻塞比BR=0.36，0.46和0.56时都可实现PDRE的稳定工作，孔板在BR=0.56时无法实现爆震的起始；Shchelkin螺旋的DDT距离和DDT时间最短；实验测得的平均推力较理想流动模型理论值有13.3%~39.3%的亏损，BR=0.36的Shchelkin螺旋推力损失最小；螺旋凹槽与环形凹槽的DDT距离和DDT时间较长，没有明显的推力增益。     

脉冲爆震燃烧室出口燃气能量分布特性

为了提高脉冲爆震燃烧室出口燃气能量转换效率,采用数值计算方法,研究了带气动阀和爆震增强结构的脉冲爆震燃烧室出口燃气能量分布特性,结果表明:脉冲爆震燃气的膨胀过程先后经历一次膨胀、二次膨胀和过度膨胀3个阶段,单个周期内二次膨胀阶段的时间和能量占比最大;燃烧室出口燃气压力势能、动能、内能和能流密度的分布主要受燃气压力的影响,且变化规律与燃气压力一致;一次膨胀阶段燃气增加的压力势能、动能、内能分别占单个周期的479%、259%、251%;二次膨胀阶段燃气增加的压力势能、动能、内能分别占单个周期的502%、576%、581%。     

脉冲爆震载荷作用下转子系统动力学特性

针对脉冲爆震涡轮发动机(PDTE)气动载荷具有周期性、非定常的特点,应用有限元法建立了PDTE转子系统动力学特性计算模型。在验证计算模型准确性的基础上,研究了周期性、非定常轴向力和扭矩对转子系统动力学特性的影响。研究结果表明:与传统燃气涡轮发动机相比,PDTE转子系统同时存在弯曲振动、轴向振动和扭转振动。脉冲爆震燃烧室的气动载荷会改变转子系统的弯曲刚度,但对气动载荷合理设计后,其对弯曲振动的影响较小。周期性、非定常轴向力引起转子系统轴向振动,且轴向振动特性主要受零频和1阶轴向共振频率处响应的影响。PDTE工作时滚珠轴承的轴向支反力会不断变向,在设计滚珠轴承时应予以考虑。周期性、非定常扭矩引起转子系统扭转振动,1阶扭转共振频率分量在扭转振动响应中占优。      

煤油两相连续旋转爆震燃烧室工作特性试验研究

为了深入分析煤油燃料两相连续旋转爆震燃烧室的工作特性,采用富氧空气或氧气为氧化剂,通过试验得到爆震波的时域、频域特征,对两相连续旋转爆震燃烧室中爆震波的起爆过程和稳定后的传播过程进行研究。利用基于激光散射相位多普勒分析(PDA)技术对雾化流场进行了测量,得到喷注器出口不同平面处煤油液滴速度与直径的统计分布。试验结果表明当煤油流量为78g/s,氧气流量为224.0g/s,空气流量为72.5g/s,当量比为1.083时,燃烧室在单波模态下工作,爆震波传播频率为0.904k Hz,平均转速为649m/s。使用氧气作为氧化剂,当煤油流量为81.8g/s,氧气流量为231.8g/s,当量比为1.222时,燃烧室在双波模态下工作,爆震波传播频率为5.882k Hz,平均转速为1848m/s,传播过程中表现出很强的非定常性。在当量比为0.805~0.908的富氧工况下,随着氧化剂中含氧量的增加,爆震波的速度逐步增大,最终达到2440m/s;在当量比为1.057~1.220的富燃工况下,随含氧量的增加爆震波速度呈现线性增长的特征。