中国脉冲爆震发动机技术研究现状及分析

脉冲爆震发动机是利用脉冲式爆震波产生推力的新概念推进系统,具有热循环效率高、结构简单、成本低和质量轻等诸多优点,因而与其相关的科学与技术问题引起世界性关注.讨论了脉冲爆震发动机的工作模式和应用前景,简要回顾了近年来中国脉冲爆震发动机的研究工作,包括燃料的喷射与混合、起爆、爆燃向爆震转变机理、进气道、增推方法、性能分析与数值模拟、多管PDE、组合循环与混合循环、结构强度/换热/噪声分析等.总结了研究中所取得的理论、试验和数值研究成果,对未来脉冲爆震发动机的技术路线和发展方向进行了展望.     

共用尾喷管多管脉冲爆震发动机数值模拟研究

采用基元反应模型和显式迎风TVD差分格式数值模拟方法,研究共用尾喷管多管脉冲爆震发动机(Pulse Detonation Engine,简称PDE)各爆震管之间相互影响.采用点隐算法解决化学反应引起的刚性问题,模拟了共用尾喷管内的流场,以及爆震波退化为激波遇到尾喷管收敛斜面反射及反射波向爆震管上游传播的过程.研究结果为多管PDE的共用尾喷管设计提供了理论基础.     

基于动网格的脉冲爆震发动机性能研究

为了获得以工程应用为背景的脉冲爆震发动机(PDE)模型可靠的性能评估方法,应用数值模拟与经验数据相结合的方法计算了某多管旋转阀PDE的性能。结果显示:采用动网格技术可以获得冷态填充过程中发动机的充填系数;结合煤油爆震的数据得到所设计的六管旋转阀PDE的平均净推力为827.8N。该方法融合了CFD计算和试验数据,为今后PDE性能估算提供了很好的参考。     

脉冲爆震发动机气动阀性能分析

通过数值模拟和试验对两种不同结构的脉冲爆震发动机(PDE)气动阀进行了研究.结果表明, 两种气动阀都能在PDE工作中起到单向阀功能, 双旋流气动阀由于切向旋流作用, 其雾化、掺混作用优于锥形气动阀, 而锥形气动阀阻力损失小.同时, 还数值模拟了锥形气动阀关闭后的流场结构, 得到了进气过程中及气动阀关闭后PDE内的流场分布, 结果显示, 气动阀关闭后, 大涡很快脱落形成一系列小涡, 大大增强了流场内的紊流度.      

煤油/空气三管脉冲爆震发动机共用尾喷管研究

探索脉冲爆震-涡扇组合发动机的可行性,建立了煤油/空气三管气动阀式脉冲爆震发动机PDE试验系统,设计、加工了收敛型尾喷管和收敛-扩张型尾喷管,在三个内径100mm,长2000mm的爆震管内获得了充分发展的爆震波,成功实现总工作频率30Hz稳定时序工作,研究了三管PDE各爆震管之间爆震燃烧特性的相互影响规律.三管PDE安装共用尾喷管能够提高爆震室内压力,提高三管PDE的工作性能.研究结果为研制多管脉冲爆震发动机原理样机提供了理论依据.      

脉冲爆震发动机工作过程控制和协调试验

利用开环控制系统,在直径180mm,长度2000mm,采用气动阀模拟飞行进气、燃用汽油的脉冲爆震发动机(PDE)样机上,对PDE的工作过程控制和协调进行了试验研究,得到了在不同的PDE工作过程时间分配下的试验结果,由此详细分析了在开环控制的情况下,PDE协调工作的条件及不能正常工作的原因,为PDE的设计和控制系统的研制提供重要的参考价值。     

煤油/空气三管气动阀式脉冲爆震发动机

 在煤油/空气单管气动阀式脉冲爆震发动机(PDE)研究基础上,建立了煤油/空气三管气动阀式PDE实验系统。在进气加温的条件下,以煤油为燃料,低污染空气为氧化剂,在内径为100 mm、长为2 000 mm的3个爆震管组成的三管气动阀式PDE中进行了多循环爆震实验,成功实现总工作频率30 Hz情况下,保证三管正常时序工作,在每个爆震管中均获得稳定发展的Chapman Jouguet(CJ)爆震波,研究了共用进气道对爆震室充填混气的影响和不同工作频率下三管气动阀式PDE的爆震波压力特性。研究结果为进一步研究多管PDE提供了基础,为探索脉冲爆震 涡扇组合发动机(PDTE)的可行性提供了初步的理论依据。     

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。      

壁温蒸发器对脉冲爆震发动机工作性能的影响

设计了脉冲爆震发动机(PDE)壁温蒸发器,利用PDE工作时的壁温对煤油进行预蒸发,以改善煤油在PDE中的起爆性能。通过适当设计的油路系统将煤油蒸汽供入由汽油启动工作的PDE中,在改变PDE工作频率、蒸发器供气量和PDE煤油/汽油比例等条件下,对PDE的爆震特性进行了研究。研究结果表明,不同工作频率和蒸发器内的余气系数对PDE点火、起爆特性和爆震波压力、速度特性均有明显影响。使用经过预蒸发的煤油/汽油混合燃料能有效缩短点火时间和爆震波形成过程,对煤油进行预蒸发可以很好地提高多循环、吸气式两相PDE的爆震特性。     

脉冲爆震发动机综述

概述了脉冲爆震发动机(PDE)发展历程、工作原理、热力循环方式、特点、主要形式以及应用前景等。同时,对未来PDE的研究内容和发展途径进行展望。就PDE工作过程中,缩短爆震向爆燃转变(DDT)距离和爆震腔高温高压环境等问题进行分析并给出了一些解决方案和探索方向。     

多管吸气式两相脉冲爆震发动机实验

研制了总长为1500mm,直径为200mm的6管并联吸气式两相脉冲爆震发动机实验器,在接近大气压条件下,以汽油为燃料、以空气为氧化剂成功进行了该发动机模型实验,实验中单爆震管最高工作频率达到35Hz,发动机整体最高工作频率达到210Hz.研究中发展了多管吸气式脉冲爆震发动机点火控 制策略,探索了不同点火控制策略对于发动机工作状态的影响规律,为将脉冲爆震发动 机用于工程实际提供了技术储备.      

障碍物对脉冲爆震发动机性能影响的数值模拟

运用计算流体力学方法计算了理想脉冲爆震发动机（PDE）单次爆震的性能参数,并和Wintenberger半分析模型进行了对比,研究了圆环形障碍物阻塞比和节距内径比对空气流动损失和脉冲爆震发动机单次爆震性能的影响,并与连续的多脉冲爆震实验的相关结果做了比较。研究结果表明,数值模拟计算得到的冲量和Wintenberger半分析模型得到的冲量非常接近,佐证了数值模拟方法和结果的正确性;障碍物阻塞比增大、节距内径比减小或进口速度增大,空气流过障碍物时的总压恢复系数减小,流动损失增大;障碍物阻塞比增大,单次爆震的体积比冲减小,单位燃油消耗率增大,性能降低;当阻塞比为41％时,体积比冲为理想爆震管体积比冲的92％,损失了8％;障碍物节距内径比增大,单次爆震的体积比冲先减小后增大,而单位燃油消耗率先增大后减小,不同节距内径比的体积比冲为理想爆震管体积比冲的94％左右,不同节距内径比对性能影响规律与多次脉冲爆震实验结果趋势符合。     

虚构解方法程序验证

对求解偏微分方程问题的程序的严格验证,一直以来由于其精确解有限,较难进行,针对这种情况,本文给出了一种新的程序验证方法,虚构解方法,该方法旨在解决大型科学计算程序如何较严格地进行程序验证这一问题;该方法通过构造虚构解,修改原控制方程,然后通过对计算结果的分析处理达到对程序的精确验证;文中给出了一组通用的虚构解的选取办法,解决了虚构解方法验证过程中确定虚构解的问题;同时还给出了运用该方法对非结构二维Euler计算程序进行验证的具体例子,网格收敛分析结果表明该方法是一种有效的程序验证方法,并且具有较好的通用性。     

爆震管内扰流片对爆震波影响的数值分析

为了研究扰流片对两相爆震过程中燃烧转爆震的影响,建立两相低雷诺数湍流爆震模型,应用二维粘性CE/SE方法进行数值求解。结果表明,爆震波压力计算值与实验压力值符合得较好,扰流片的存在能显著缩短燃烧转爆震的时间;且对一固定尺寸的爆震管,扰流片的片数和间距都存在最佳值,使得燃烧转爆震时间最短。     

六管吸气式脉冲爆震发动机试验

设计了单管内径为68mm的六管吸气式脉冲爆震发动机试验系统,以汽油为燃料,空气为氧化剂,成功地进行了多循环爆震试验.结果表明:六管均能形成多次可重复的爆震波;各管之间的相互影响小;共同工作的同步性好;长时间工作起爆稳定.研究结果对多管脉冲爆震发动机的工程应用具有较大的参考价值.      

径流与斜流涡轮设计的通流反问题方法

自主发展了径流及斜流涡轮的准三维流线曲率法通流设计程序,应用该程序给出了一项500 N推力级微型涡喷发动机斜流涡轮的气动设计和叶片造型.通过计算流体力学检验和整体叶轮强度检验,该微型斜流涡轮超过了预定的设计指标.为实现径流涡轮和斜流涡轮设计反问题的统一,流线曲率法的S_2,m流面准径向平衡方程是沿流线方向m和流线的准法线方向口写出,该系统也可用于轴流涡轮的设计.采用了在所有计算站上的"全可控涡法"进行气动设计.      

多循环脉冲爆震发动机净推力估算

为了研究试车台上脉冲爆震发动机(PDE)净推力的估算方法，在常温常压条件下，进行了大量的多循环爆震试验，在内径为150mm，长度为1800mm的爆震管中，成功地产生充分发展的爆震波。采用了动态和稳态推力计分别测量试车台上PDE的净推力及气动阀开和关时PDE的阻力，建立了试车台上PDE净推力的近似计算模型，同时研究了PDE净推力的主要影响因素。试验结果表明，PDE阻力与模拟飞行速度(或爆震室充填速度)有关；直接测量到的发动机推力与利用模型计算的净推力基本一致。研究结果对工程应用的PDE的优化设计，深入研究具有重要的参考价值。