双组分混合气态燃料爆震起爆特性

在爆震燃烧中,与液态燃料相比气态燃料具有更好的起爆性能和可爆极限.在一定温度和压力下,液态碳氢燃料燃烧伊始发生的吸热裂解反应会产生小胞格尺寸的轻质气态小分子,其混合物组合可有效降低可燃混合物的临界起爆能量并提升燃料整体的起爆性能.研究液态燃料裂解反应中气态产物组分及含量对缓燃向爆震转变过程时间及距离的影响规律,有助于掌握形成易爆混合物的条件,指导液态燃料爆震燃烧室的设计.本文采用光学测量方法,对RP-3航空煤油热裂解反应的主要产物双组分气态燃料的起爆性能进行了实验研究,对不同组分燃料的起爆过程中火焰传播速度进行对比.结果表明:生成的甲烷摩尔分数大于60％时不能实现爆震起爆,烯烃类等气态不饱和烃可增强混合燃料的起爆性能.同时,适当地提高当量比,可以扩大混合燃料的可爆极限.     

微小尺度多循环爆震实验研究

为了探索爆震燃烧应用于微型推进器的可行性,进行了微小尺度多循环爆震实验的研究。实验管道采用截面为6mm×6mm,长度为500mm的方型爆震室,氧化剂和燃料分别为40%的富氧空气和乙烯,工作频率范围为1~30Hz。实验中采用高速摄影仪拍摄反应波的传播过程,用压力传感器测量反应波的压力变化。结果表明,工作频率在1~20Hz内时可以成功实现多循环爆震,爆震波离开爆震室的速度约为2500m/s,频率越高,缓燃向爆震转变(Deflagration to Detonation Transition,简称DDT)的距离越长;工作频率为10Hz和20Hz时,同一频率下,不同爆震循环的DDT开始位置不同,并且DDT距离也存在差异;工作频率为25Hz和30Hz时,由于混合气填充量的减小,不能形成爆震。     

间接起爆对脉冲爆震发动机热效率影响

建立了基于整个燃烧室内经历不同燃烧方式下所有工质来评估脉冲爆发动机平均循环热效率的方法,通过二维数值方法对两种采用不同数目障碍物的爆震管模型的起爆特性及循环热效率进行了研究,并分析了燃烧波传播的距离与DDT距离之比（定义为ξ）对模型热效率的影响.结果表明:①间接起爆方式及不同DDT强化装置都会影响系统的循环热效率;②就计算模型,当ξ接近1时,其系统平均循环热效率仅为理想爆震循环热效率的60%左右;③随着ξ的增加,间接起爆方式的影响迅速减弱;④当ξ为1.5时,系统平均循环热效率可达爆震燃烧热效率的93%.      

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.      

液体燃料脉冲爆震发动机点火方法研究

目前脉冲爆震发动机的起爆主要采用爆燃向爆震转变的方式实现,而爆燃波发展缓慢,消耗了循环周期的很长一段时间。为缩短爆燃向爆震转变的时间和距离,本文研究了一种新型蒸发管点火系统,用蒸发管对两相混合物进行预蒸发,在预燃室内点火形成火焰射流进入主爆震室,实现主爆震室内两相混合物的快速短距离起爆。热态实验在内径120mm,长2500mm的爆震室上进行。与火花塞直接在主爆震室点火相比起爆时间可以从12.5ms缩短到2～3ms,起爆距离可以从1350mm缩短到775mm。预燃室长度和个数对起爆过程也具有非常明显的影响,长度和个数的增加都有利于爆震波的起爆。     

混合物填充速度对火焰加速及DDT转变特性实验

为研究脉冲爆震发动机中燃料/氧化剂混合物填充速度对火焰加速与缓燃向爆震转变过程(DDT)的影响,以乙烯为燃料、氧气体积分数为40％的富氧空气为氧化剂,进行了实验研究.采用不同的燃烧室构型、不同点火位置和不同的障碍物数量,在混合物填充速度为0、2.5、5.7、8.9m/s和14.1 m/s的条件下,均成功获得充分发展的爆震波.结果表明:混合物填充速度越大,火焰发展也越快,对于能够起爆的工况,缓燃向爆震转变的时间最多可降低至填充速度为0m/s时的38.9％;填充速度为8.9 m/s时,使火焰成功转变为爆震燃烧所需的障碍物数量由3对可减少为2对.提高混合物填充速度后,缩短DDT长度与点火段长度,依然能够成功建立爆震波,这对优化脉冲爆震发动机燃烧室构型,进而减少发动机长度和质量、提升推进性能具有一定的指导意义.     

脉冲爆震燃烧室内缓燃向爆震转捩数值模拟

为了研究脉冲爆震发动机燃烧室内火焰加速及缓燃向爆震转捩过程,利用7组分8反应的氢气详细化学反应机理进行了2维数值模拟。结果表明：在火焰传播的初始阶段,障碍物、旋涡与火焰的相互作用是主导火焰加速的主要因素。在燃烧区域产生的膨胀波向前传播并诱导未燃混气流动;障碍物后的回流区及障碍物顶端脱落的旋涡使火焰面拉伸、卷曲,增加火焰面面积,同时提高燃烧放热强度,使火焰传播速度加快。在火焰发展的后期阶段,激波与障碍物的相互作用会使脱落在已燃混气中的未燃混气微团发生局部爆炸,产生新的激波进一步推动火焰加速,缩短火焰锋面与前导激波的距离。由于交错型障碍物增加了火焰传播的距离,其缓燃向爆震的转捩时间比采用对称型障碍物时的更长。     

六毫米内径管道中的单次爆震实验研究

为研究微尺度下的爆震波传播特性,用乙烯和氧气为燃料和氧化剂,在6mm内径的管道内进行了爆震实验研究。实验表明,气体混合物在该尺度下可以产生稳定的爆震波,且爆震强度和火焰传播模式等受当量比影响较大。实验在不同当量比下得到了缓燃转爆震的距离,其中当量比1.4时距离最短,当量比大于2.2时爆震不稳定。用高速摄像机拍摄了当量比0.8,1.4和2.2下的火焰传播过程,发现了多种火焰形态并分析了形成原因;测量了三种当量比下的爆震速度和压力,发现当量比2.2时的爆震压力和速度最大,0.8时最小。实验值与C-J爆震理论值吻合较好。     

多循环脉冲爆震发动机爆震室内部压力分布实验研究

利用基于多循环吸气式脉冲爆震发动机的实验获得了沿爆震室轴向9个位置的实时压力数据,经过对数据进行时域和频域的分析处理后,利用MATLAB软件的GRIDDATA函数拟合出了6个工作频率下某个循环时爆震室内压力随轴向位置及时间变化的三维图形。通过对拟合后的数据从不同角度进行分析,发现采用爆燃向爆震转捩（DDT）方式起爆会在爆震波形成前生成一个局部爆轰区、爆震波形成后平均速度维持在1000m/s左右,且峰值压力升高、随机性增大。该实验的研究结果为爆震室的结构强度研究提供了依据。     

脉冲爆震发动机爆震室起爆研究

根据脉冲爆震发动机（PDE）的概念、工作原理,分析了爆震燃烧的特点和起爆方法,研究了可燃气体在空气中存在的爆炸极限,分析了应用爆炸极限理论引发爆震的可行性。设计了航空煤油和空气作为起爆能源的爆震室,为了提高爆震成功率,爆震室油气混合气按照爆炸极限混合。定量计算了化学恰当比的航空煤油完全燃烧放出的热量以及爆震室最终温度和压力,分析了反应混合物浓度和起爆的关系。     

测量爆燃到爆震转捩距离的离子探针技术研究

为了测量爆震管中从爆燃到爆震转捩距离,研制了一套基于对比电路的离子探针系统。通过该系统测量爆震管中火焰传播速度的轴向分布,确定了爆燃到爆震的转捩距离。系统结构简单,造价低廉,可用于高温环境下测量。运用该系统测量的乙炔与氧气混合气从爆燃到爆震转捩的距离,其结果与采用高频响的压力传感器系统的测量结果一致。      

射流点火对爆震管中爆燃转爆震影响的实验

采用射流火焰的点火方式进行了爆震管中乙炔和空气混合物从爆燃向爆震转捩的实验研究.爆震管一端开口一端封闭,在封闭端与爆震管垂直安装预燃室,采用火花塞在预燃室中点火,形成射流火焰引燃爆震管中的混合物.基于光电转换原理研制的火焰测速系统测量了爆震管中火焰传播速度.实验表明,与在爆震管壁面火花塞点火相比,射流火焰点火加大了爆震...     

环截面管中的爆燃转爆震实验

为了实现在环截面爆震管封闭端同时点火,采用了先在预燃室中点火,再通过八路支管将火焰引入到爆震管封闭端,各个支管长度一样,因此可看成在环管封闭端多点同时点火.实验结果显示,在爆震管封闭端火焰汇聚形成激波点火,可在环管封闭端附近直接产生爆震波.在爆震管中安放扰流片时,流动阻力使爆震速度偏低,无扰流片时,爆震速度接近理论值.不加扰流片当量比在1.0左右,火焰速度会出现爆燃或爆震两种随机状态,当量比到1.1时可避免这种状况.      

弯曲方管内爆燃向爆震转变特性

为缩短爆震管轴向尺寸,采用曲管爆震管替代直管爆震管.基于弯曲方管实验器,进行了二维数值仿真计算,研究了点火位置、点火能量及弯曲段曲率半径对爆震波形成及传播的影响规律.数值模拟结果表明:爆燃向爆震转变(DDT)时间随弯曲段曲率半径增大而减小,DDT距离在弯曲段曲率半径最大时达到最小值;点火能量越大,爆震管内激波强度越大,DDT时间越小;在距离爆震管进口300mm处点火时,爆震管内爆震波压力峰值最大,DDT时间最短.     

环形爆震室中火焰加速数值模拟及验证

对带不同数量孔板的环形爆震室进行数值模拟,并通过试验对数值计算进行验证,来研究火焰加速现象、爆燃向爆震转变过程和不同当量比下起爆距离.数值计算采用二维轴对称非定常Navier-Stokes方程来模拟流体动力学过程.研究发现用较低的点火能量对火焰混合区的可燃气点火产生低速火焰,低速火焰向环形爆震室射流并改变方向向出口传播,火焰在孔板的阻碍作用以及火焰诱导激波和反射波的加速作用下,由层流变为湍流,湍流火焰与其诱导激波相互加强,最终引爆未燃混气;还对爆震波在孔板区的传播过程进行了分析,对不同当量比下的火焰速度和起爆距离进行了模拟研究.      

火焰加速和爆燃向爆震转变过程的数值模拟及试验验证

为了研究火焰加速现象、爆燃向爆震转变和不稳定爆震向稳定爆震的转变过程,对带环形孔板的爆震室进行了数值模拟.研究发现用较低的点火能量对爆震室中的燃料和氧化剂点火产生层流火焰,在孔板的阻碍作用和火焰诱导激波以及反射波的加速作用下,经过几个孔板的阻碍加强作用,在火焰和强激波之间的未燃物中形成爆炸中心,最终引爆未燃混气.同时对爆炸波向稳定爆震转变过程中遇到孔板产生三波点,以及马赫波向入射波转变的全过程进行了分析;对不同燃料在不同当量比下的起爆距离进行了研究,并与试验结果进行了对比.通过分析,对火焰加速和爆燃向爆震转变的过程有了更加全面的认识,为进一步试验提供了参考.      

U型方管中爆燃向爆震转变特性实验研究

以脉冲爆震发动机(PDE)用曲管爆震燃烧室为应用背景,对气相(乙烯/空气)燃烧波在U型方管实验器中的传播过程进行了实验研究。通过改变实验器中弯曲段进口气流入射激波强度,基于弯曲段内压力、波速的测量及高速摄影实验得到了U型方管实验器中半圆型弯段内的爆燃向爆震转变(DDT)特性。结果表明,弯曲段中DDT特性受到入射激波速度的影响:当入射激波速度小于794m/s(43.6%VCJ,VCJ为理论Chapman-Jouguet爆震波速),在弯曲段内不能形成爆震;当入射激波速度介于870~908m/s(47.8%VCJ~50.0%VCJ)之间,弯曲段内首先会产生局部爆炸,并最终形成爆震;当入射激波速度大于934m/s(51.3%VCJ),爆燃波可以直接在弯曲段入口转化为爆震波。     

激波聚焦火焰聚心起爆器的数值研究

针对短距离内的激波聚焦起爆问题,设计了一种激波聚焦火焰聚心起爆结构,通过数值模拟方法对该结构内部流场变化进行研究。结果表明:加速区是火焰失稳加速的重要区域;聚焦区能量汇聚造成局部爆炸是燃烧转爆轰加速的关键因素,且该区域内由于几何结构形成的卷吸涡能够增强聚焦并阻碍激波回传入加速区;稳燃区主要实现爆轰波从过驱状态到稳定爆轰状态的过渡区。确定中心轴线上温度、压力波动是由于聚焦腔聚焦作用造成的,而爆轰波锋面温度压力变化是由于三波点运动造成。      

爆震燃烧的特性研究

研究了爆震管中爆震燃烧的压力特性及爆燃到爆震转捩 (DDT)特性。在乙炔与氧气的预混气中 ,通过高频响压力传感器及自行研制的离子探针 ,测量了不同工况下爆震燃烧的压力与火焰传播速度的变化历程 ,获得了爆震波峰值压力、波后压力及 DDT距离随混气初始压力 (2×10 4 Pa～ 1× 10 5Pa)、混气当量比 (0 .3～ 1.0 )及混气浓度 (6 0 %～ 10 0 % )的变化规律。试验结果表明 :降低预混气的压力、混气当量比及浓度会使爆震波的峰值压力、波后压力不同程度的下降 ,DDT距离增大 ,其中 DDT距离对混气浓度最敏感