氧化剂喷注面积对旋转爆震波传播特性影响的实验研究

为了研究氧化剂喷注面积对旋转爆震波传播特性的影响,验证不同氧化剂喷注面积下旋转爆震发动机起爆的可行性,通过改变氧化剂喷注面积开展了大量的实验研究。发动机采用环缝-喷孔式喷注结构,燃料为H_2,氧化剂为空气。实验结果表明,旋转爆震发动机可以在较宽范围的氧化剂喷注面积下稳定工作;氧化剂喷注面积与燃烧室横截面积比为0.13的条件下获得了最佳实验结果,爆震波传播频率为3.97~4.29kHz,传播速度为1610.76~1832.47m/s,峰值压力脉动强度均小于30%。对比了不同当量比条件下爆震波的传播过程,结果表明,在面积比大于0.27的情况下,提高燃料和氧化物的当量比可获得稳定的爆震波。分析轴向位置上爆震波峰值压力的变化,结果表明氧化剂喷注面积的变化影响轴向位置上爆震波压力的分布。     

H2/Air连续旋转爆震波的起爆及传播过程试验

在环缝-喷孔对撞式喷注模型发动机上,采用H2/O2热射流切向喷注的起爆方式,进行了H2/Air组合的连续旋转爆震试验,试验成功起爆并实现了爆震波的持续旋转传播。切向喷注的热射流并没有直接诱导形成旋转爆震波,从点火到形成稳定传播的旋转爆震波之间存在时间间隔。对高频信号的时频分析结果表明,在该试验工况下,旋转爆震波的传播过程非常稳定,其传播频率为5.5～5.95 kHz,平均传播频率为5.75 kHz,对应的平均传播速度为1716.4m/s,为理论预测值的91.14%。在没有测量高频压力的情况下开展了长程试验,结果表明,连续旋转爆震波也可以在更长的时间范围内稳定工作。     

旋转爆震发动机中爆震波不稳定传播特性实验研究

在内径为60mm,外径为70mm的旋转爆震发动机实验件上,进行了以氢气/空气为推进剂的旋转爆震实验,以研究爆震波传播过程中的不稳定现象。实验中采用预爆管切向入射的方式起爆旋转爆震波,用高频动态压力传感器记录爆震波压力,用高速摄像机拍摄爆震波在环形燃烧室内的传播现象。在稳定工况下,爆震波传播速度达到1680.6m/s(为理论值的83.9%),工作频率达到7642Hz;在小流量工况下,爆震波的传播速度表现出很强的不稳定性,能从790.1m/s(理论值的39.4%)变化至1533.9m/s(理论值的76.6%)。实验发现了旋转爆震发动机的点火起爆过程中存在如下不稳定现象:爆震波自发改变传播方向,爆震波自发由一个变成两个,两个爆震波相互撞击。在实验中,还发现:不带喉部时,旋转爆震发动机中爆震波的传播方向具有随机性;带喉部时,爆震波的传播方向呈现出规律性。出现上述"不稳性"现象的可能原因是:点火起爆阶段,初始流场混乱,湍流度较大,爆震波的形成过程容易受到流场扰动的随机性干扰。     

基于预爆震管的旋转爆震波建立和传播过程研究

预爆震管已成为旋转爆震发动机的主流点火方式,为研究预爆震管点火方式下旋转爆震波的起始和传播过程,本文采用动态压力传感器、离子探针以及高速摄影等实验手段,分析了旋转爆震波的建立过程,探讨了预爆震管与燃烧室的相互作用,总结了预爆震管出口直径、初始填充压力以及排气时间对旋转爆震波建立和传播的影响。研究表明：由于衍射作用,从垂直安装预爆震管传出的爆震波,在燃烧室内迅速发生解耦,形成来两道传播速度相同、方向相反的的低速燃烧波。两道燃烧波沿燃烧室周向不断加速并对撞,对撞多次后最终发展成一道旋转爆震波。预爆震管出口直径对旋转爆震波建立时间的影响要明显大于初始填充压力的影响。增大预爆震管出口直径,可提高燃烧室内初道激波和燃烧波的强度,有利于降低DDT时间,但由于预爆震管对旋转爆震波的传播具有一定消弱作用,旋转爆震波的平均传播速度略有减小。当预爆震管处于排气阶段时,旋转爆震波仍可稳定传播,其排气过程并不影响旋转爆震波建立时间。     

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.      

爆震管内爆燃到爆震转捩过程的实验研究

基于常温常压轴向进气条件下气动阀式两相爆震发动机模型开展爆燃到爆震转捩过程的研究，利用离子探针和高频压力传感器测量了管内火焰传播速度和燃烧压力波。研究结果表明，管内爆震波形成的初始位置在正常火焰面下游的一定位置处，如假设爆震管内波和火焰面是一维的，则在爆震波产生的最初一段时间内，爆震管内将出现三道火焰面：往出口方向传播的正常火焰面和爆震波火焰面及往进口方向传播的回传爆震波火焰面。     

喷注方案对凹腔稳焰燃烧室低频振荡的影响研究

为了研究在入口来流马赫数2.52,总温1486K的超声速来流条件下,稳焰凹腔上游不同位置乙烯横向喷注对模型发动机燃烧室内低频燃烧振荡特性的影响,通过1kg/s直连式超燃试验平台,利用高频压力传感器、高速摄影相机等设备,对凹腔上游近距离、远距离喷注等方案的发动机内部压力与火焰动态特性进行了研究。试验结果表明:在当前当量比条件下,当稳焰凹腔上游近距离喷注燃料时,燃烧室存在较大范围亚声速区域,并出现由热声不稳定性激励的低频压力振荡,频率分布范围较宽(50～400Hz)且振幅较弱。对于燃料喷注位置到稳焰凹腔距离较远的情况,燃烧室内出现以火焰逆传和火焰吹脱为特征的周期性火焰振荡现象。分析认为较远喷注距离有利于燃料-空气充分混合并形成预混区,导致火焰快速逆传。火焰逆传与DDT (爆燃转爆震)中的火焰加速传播过程有关。周期性火焰逆传与火焰吹脱过程相耦合形成了具有特定主频(约85Hz)且振幅较大的低频压力振荡。     

内燃波转子复杂波系及火焰传播特性实验研究

为了探究内燃波转子工作过程中复杂波系及火焰的传播特性,采用乙烯为燃料进行了内燃波转子多循环工作过程实验研究。依据实验中采集到的离子探针信号、压力传感器信号和高速摄影照片来分析波转子通道内的复杂波和火焰的传播特性,同时更换波转子通道内的不同扰流片结构来探究其对复杂波系和火焰传播特性的影响。研究结果表明:波转子通道内波与火焰存在一个动态过程,且火焰与波峰的间距越来越小,加入扰流片后火焰速度与压力波的强度明显增加。堵塞比为38.91%时,PT2处压力峰值可以达到1.56MPa。堵塞比为31.13%时,平均火焰传播速度能达到36.95m/s。     

连续旋转爆震波传播过程研究(Ⅱ):双波对撞传播模式

在喷孔-喷孔和环缝-喷孔对撞式喷注模型发动机上,采用H2/O2热射流切向喷注的起爆方式进行了H2/air组合的连续旋转爆震试验,根据高频压力测量和高速摄影观测结果对爆震波传播过程进行了分析。试验发现了短暂的和可长时间维持的双波对撞传播现象,在该传播模式下燃烧室内存在两个爆震波头,但传播方向相反,周期性发生对撞,其高频压力振荡特征跟测压点距对撞点的夹角相关。初步分析了双波对撞传播过程的形成机制,认为在爆震波顶部能否形成混合气体层是实现该传播模式的关键。     

缓燃向爆震转捩过程中火焰和压力波发展规律试验

为了解缓燃向爆震转捩(DDT)过程,在60mm×60mm,长2m的方形爆震管内,利用高速摄影和高频压力传感器试验研究了4种余气系数下氢气/空气混合气燃烧时的火焰和压力波演变规律.结果表明:缓燃向爆震转捩经历了缓燃、爆燃、在壁面产生热点、形成爆震中心和稳定爆震5个阶段,缓燃、爆燃和爆震的火焰传播速度分别为0～15m/s,500～1000m/s和1800～2000m/s.压力传感器获得的时序图和对应峰值压力的变化规律也验证了上述过程:在压力传感器测试区间(850～1200mm)内,压力峰值从1.5MPa先跃升到7MPa上下,然后下降稳定在2～3MPa.据压力时序图算得的爆震波传播速度与高速摄影获得的火焰传播速度一致.      

点火位置对两相旋转爆震波起爆特性影响的实验研究

为了揭示两相旋转爆震波在空筒形燃烧室内的建立过程及传播特性,以航空煤油为燃料,富氧空气为氧化剂,在不同氧化剂供给条件下,实验研究了垂直预爆管安装位置（即点火位置）对旋转爆震起爆特性的影响。结果表明,在四个点火位置上（距喷注端面分别为20,40,60和90 mm,相对点火位置分别为0.15,0.30,0.46和0.69）均可触发并实现旋转爆震波的稳定传播,并观察到稳定爆震和不稳定爆震两种模态;旋转爆震波的建立过程均可以分为三个阶段：缓燃燃烧阶段、起爆阶段和稳定旋转爆震阶段。其中,缓燃燃烧阶段耗时最长,占爆震波建立时间的60%～80%,是制约RDE快速启动的关键环节;在相对点火位置为0.46处点火时,稳定爆震模态的建立时间最短且对应的工作范围最宽。     

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。     

当量比和间隙尺寸对爆震波传播过程的影响

为探索微型脉冲爆震发动机推进系统的可行性,进行了微空间内爆震极限特性的研究.通过对预混氢气/氧气爆震火焰在平板狭缝中的传播过程进行测量,分析了爆震波压力、速度随当量比和间隙尺寸的变化趋势,发现在极限范围外,来自稳流段的爆震波都能在间隙内通过压力和速度的自我调整后达到稳定状态,调整过程所需的距离随间隙尺寸减小而增长.根据爆震波速度衰减的定义,给出了激波和火焰锋面速度沿间隙通道方向的变化特点,观察到了微尺寸下爆震波的4种传播模式:稳定爆震波、准稳定爆震波、低速爆震波和非爆震波.      

燃料分布对旋转爆震波传播特性影响

为定量研究燃料分布对旋转爆震波传播特性的影响,针对两种环缝/小孔喷注方案开展了数值和实验研究。针对燃料(H2)和氧化剂(air)分开喷注的旋转爆震燃烧室模型,开展冷流掺混的三维数值模拟研究,给出了掺混均匀度评价参数,获得了两种喷注模型的反应物掺混均匀度沿轴向的变化规律。针对这两种喷注模型,开展旋转爆震波传播特性实验研究,分析了旋转爆震波的传播速度、工作稳定性、当量比边界等。研究结果表明:将燃料喷注小孔前移,可大幅提高燃烧室头部的掺混均匀度;随着掺混均匀度的提高,旋转爆震波的传播速度增加,传播稳定性明显提高,稳定工作的当量比下限从1.08拓宽至0.57。研究结论可为旋转爆震发动机喷注结构设计提供参考。      

高总温空气与汽油燃料的旋转爆震验证试验

为验证高总温空气来流条件下汽油燃料旋转爆震的可行性,开展了气液两相旋转爆震发动机试验研究。旋转爆震发动机环形燃烧室外径和内径分别为202mm和166mm,长度为155mm。通过空气加热器模拟高总温空气来流环境,汽油和空气采用分开喷注的方式,分别通过高压喷嘴和环缝进入燃烧室。试验采用垂直安装的预爆震管成功起爆了旋转爆震波,并实现了旋转爆震波的连续稳定传播。试验结果表明：当空气质量流量为1110.0g/s,当量比为0.97,空气总温为713K时,旋转爆震波以双波对撞模态在燃烧室内连续传播,爆震波传播频率为1827.31Hz,与高频压力信号经快速傅里叶变换得到的主频一致,爆震波传播速度为1059.6m/s。在空气质量流量为1110.0g/s,当量比为0.84,空气总温为713K的工况下进行了3s的长程试验,验证了以高总温空气为氧化剂、汽油为燃料的旋转爆震发动机长时间连续稳定工作的可行性,获得的旋转爆震波传播频率为1907.5Hz。     

超燃冲压发动机支板喷射燃料的燃烧过程试验

利用高速摄影和高速纹影对超燃冲压发动机支板喷注燃料的燃烧流动过程进行了试验研究,结果表明:燃料喷注器与火焰稳定器之间的相对位置,对流场的火焰结构和发动机性能有较大的影响,支板侧喷较尾喷方案具有更好的燃烧效果.燃烧与流动强烈耦合,燃烧放热使得燃烧室压力升高,改变了上游来流流场结构,流场结构的改变同时又影响到了燃料的喷注、扩散和混合过程.      

点火方式对旋转爆震发动机工作特性的影响

为研究并改善旋转爆震发动机的点火-起爆性能,进一步深入了解点火方式对旋转爆震发动机工作特性的影响,采用小能量火花点火装置、高能量火花点火装置、爆震管三种点火方式,进行了一系列旋转爆震发动机起爆实验,发动机采用环缝-喷孔对撞式掺混方式,燃料为H2,氧化剂为空气。实验对比研究了不同点火方式下旋转爆震发动机的点火起爆性能及点火方式对发动机工作特性影响。实验结果表明三种点火方式均成功起爆旋转爆震波,并周向稳定传播。通过对旋转爆震波起爆过程详细分析发现,不同点火方式引燃的不同初始状态的火焰均需在环形燃烧室经历一个类似DDT的火焰发展过程才能成功建立爆震波,且火焰发展过程的时间间隔表现出很强的随机性,但总体来看爆震管点火时爆震波建立时间较其他两种点火方式短。此外,该工况条件下三种点火方式起爆发动机时其工作状况可重复性均可达100%,稳定工作过程中的传播特性与点火方式无明显关系,爆震波传播频率较为稳定,在5437~6440Hz波动。     

高总温来流下的连续旋转爆震验证试验

为验证吸气式连续旋转爆震推进的可行性,在直连式试验台上开展了连续旋转爆震试验。采用三组元空气加热器模拟吸气式推进时的高总温来流,其设计流量600g/s,总温860K。采用热射流切向喷注的方法成功起爆了H2/air连续旋转爆震波,并实现了稳定自持传播。在H2/air当量比为0.86时,连续旋转爆震波以单个波头的同向传播模态传播,且其未影响到空气加热器的正常工作。爆震波的传播频率为3.68kHz,与高频压力FFT分析所得的主频3.67kHz吻合较好;爆震波传播速度为1248m/s。在未测量高频压力的情况下开展了长程试验,结果表明,在高总温来流条件下,连续旋转爆震波也可以在更长时间范围内稳定工作。     

旋转爆震发动机爆震波建立过程实验研究

为了深入研究旋转爆震发动机爆震波建立过程及形成机理,采用小能量火花单次点火的方式进行了一系列旋转爆震发动机起爆实验。发动机采用环缝-喷孔对撞式掺混方式,燃料为H2,氧化剂为空气,实验成功起爆旋转爆震波,并连续旋转稳定传播,爆震波传播频率为5.09~6.45k Hz,传播速度为1286~1644.8m/s。在发动机稳定工作过程中,集气腔与燃烧室相互影响,二者处于平稳的动态平衡。其次,通过对旋转爆震波起爆过程详细分析发现,点火形成的初始火焰在环形燃烧室经历一个类似DDT的火焰发展过程,成功转变为爆震波,且从点火到爆震波建立之间的火焰发展传播过程和时间间隔均表现出很强的随机性。此外,为验证小能量火花点火的可靠性,还进行了小能量点火重复性实验,发现在稳定工况条件下采用小能量点火成功率最高可达100%,各组旋转爆震波传播速度在1440m/s附近波动。     

光电池测光器在爆震波测量中的应用

爆震管内火焰的结构非常复杂且传播速度快,需要高精度、高响应时间的测试工具.本文在单爆震试验中采用光电池测光器和离子探针测量燃烧波.研究中以高频响压力传感器为参考依据,通过测量同一截面上压力传感器、光电池测光器和离子探针之间的触发顺序,以及光电池测光器与离子探针信号的持续时间,来验证光电池测光器在爆震波测量中的可行性与精度.结果表明:光电池测光器比离子探针更适合测量爆震管内火焰传播速度.