两相脉冲爆轰发动机尾喷管的实验研究

为了提高脉冲爆轰发动机的推进性能,实验研究了12种不同构型尾喷管对火箭式两相脉冲爆轰发动机爆轰特性和推进性能的影响,并对各类尾喷管的增推原因进行分析。结果表明满填充工况下各类喷管内的爆轰特性不尽相同,收敛喷管可得到最大压力峰值;在满填充工况下频率为10Hz时12种喷管构型中拉伐尔喷管的推力增益最大,塞式收敛扩张喷管其次;拉伐尔喷管的出口面积比对推力增益有较大影响,但收敛段-扩张段长度比对推力增益影响甚微。     

脉冲爆震发动机尾喷管的实验

选取3类10种有代表性的脉冲爆震发动机尾喷管进行了试验.研究结果表明, 各种喷管对性能均有提高;对每类喷管均存在一最佳面积比, 使推力增益最大;在受试的尾喷管中, 收敛-扩张喷管增益最大, 达24%;填充系数对喷管性能增益影响甚微.      

扩张管和燃料部分填充对PDE效能的影响

采用基于有限速率基元化学反应模型的网格自适应有限体积方法,数值模拟以脉冲爆轰发动机为背景的爆轰波通过扩张喷管的流场,研究了喷管形状及喷管充气状况对脉冲爆轰发动机推进性能的影响。结果表明,氢-氧混合物产生爆轰波的等截面爆轰管冲量在某一比例合适的部分填充时达到最大,而对较大扩张角的喷管来说,其冲量一般随喷管内可燃气体填充比例的增加而增加,比冲通常随可燃气体填充比例的减少而增加;合适的喷管和燃料填充系数能使比冲显著提高。     

脉冲爆震火箭发动机喷管构型数值研究

利用准1维模型对带喷管和不带喷管脉冲爆震火箭发动机(PDRE)模型的工作过程进行了数值仿真,研究了喷管构型对单次爆震过程流动以及排气性能的影响。结果表明,带有收敛扩张喷管和收敛喷管PDRE的内部流场比不带喷管和带扩张喷管PDRE的更为复杂。在爆震管完全填充的条件下,各种构型的喷管都能使PDRE性能增益,而收敛喷管使PDRE性能增益最大。但是,带收敛喷管PDRE的比冲仍远低于热力循环理论值,因而优化喷管设计具有进一步提高比冲的潜力。     

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.      

脉冲爆震发动机喷管流动的数值模拟

为了研究喷管形状及充气状况对脉冲爆震发动机推进性能的影响,发展了基于有限速率基元化学反应模型的网格自适应有限体积程序,对影响脉冲爆震发动机推进性能主要过程进行了数值模拟,计算结果和相应的实验结果较为一致。锥形喷管的算例表明,不仅锥角对喷管性能有重要影响,而且同一锥角下喷管内的充气状况对喷管性能也有重要影响。在喷管内充空气情形下,爆轰波进入喷管后迅速衰减为激波,扩张管道的超声速膨胀使得喷管壁面压力显著下降,从而削弱了喷管提高脉冲爆震发动机推进性能的作用。在喷管内充燃气情形下,爆轰波进入喷管后可一直维持到喷管出口,显著提高了脉冲爆震发动机的推动性能。     

塞式喷管结构对固液火箭发动机的性能影响

为了分析塞式喷管结构对固液火箭发动机的性能影响,分别设计了使用塞式喷管和钟形喷管的固液火箭发动机。发动机喷管选取了三个不同的扩张比,对应高空和地面两个设计状态。通过数值仿真,预估了发动机的性能,并将使用塞式喷管结构和钟形喷管结构的两种固液火箭发动机进行了对比分析。结果表明:相对于钟形喷管结构,使用塞式喷管结构能够提高固液火箭发动机的燃烧效率和比冲效率,且最大分别提高了4.13%和3.37%;地面条件下,大扩张比的塞式喷管的仿真推力系数要比同扩张比的钟形喷管的仿真推力系数大2.69%,体现出塞式喷管的高度补偿效应;与钟形喷管内壁面温度相比,塞式喷管塞锥壁面的温度明显更低。     

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.      

脉冲爆震发动机多循环工作过程仿真及性能分析

针对脉冲爆震发动机零维性能模型的局限性,建立了火箭式脉冲爆震发动机(PDRE)多循环工作过程的一维非稳态仿真性能模型,仿真模型能够捕获PDRE的非定常的工作特征,可研究各种调节参数对PDRE性能的影响,通过模拟计算直管PDRE和带收敛扩张喷管PDRE在多循环工作过程中的压力分布及其性能参数,可以看到,由于循环过程之间的耦合性,使得多循环脉冲爆震发动机(PDE)的内部流场与单循环PDE有很大的不同;同时,同样进气条件下,PDRE要比常规火箭发动机有优势,对其工作频率和隔离气体使用量是有要求的。     

不同形式扩张喷管对两级PDE性能的影响

为了研究不同形式扩张喷管对两级脉冲爆震发动机性能的影响,以氢气和氧气混合物为例,对安装不同扩张角、长度和扩张曲线的扩张喷管的两级脉冲爆震发动机工作过程进行了数值模拟.结果表明,具有较大扩张角的喷管其推力增益较大;当扩张面积比一定,喷管长度不能太长和太短,否则喷管增推性能会下降;不同扩张曲线喷管对两级爆震发动机性能有较大影响,在扩张面积一定,长度一定的条件下,采用曲率较大的钟形型线的喷管时,凹面腔获得的冲量最大,喷管获得的冲量也最大.     

一种低空满流的大面积比液体火箭发动机喷管

针对传统大面积比液体火箭发动机喷管在低空过膨胀状态下易产生流动分离的问题,采用特征线法,基于最大推力喷管,对其扩张段后半部分型面进行了控制压力设计,以保证新生成的大面积比喷管（低空满流喷管）壁面压力不小于分离临界压力。而后通过仿真手段对设计方法进行了校验,并对低空满流喷管的性能进行了评估。结果表明：基于最大推力喷管型面的控制压力设计方法能够实现预定的设计目标,生成的型面不仅保证了喷管在海平面条件下处于满流状态,还使得喷管对燃烧室压力脉动具备了一定的抵抗能力。当燃烧室压力为8.5MPa、燃气比热比为1.144时,相较于将要产生分离的面积比为40的最大推力喷管,低空满流喷管能够将面积比增加至60,从而提高真空比冲约5.24s。而相比于面积比为60的最大推力喷管,等面积比的低空满流喷管真空比冲损失约为1.57s。     

Experimental Investigation of Nozzle Effects on Thrust and Inlet Pressure of an Air-breathing Pulse Detonation Engine

Nozzle effects on thrust and inlet pressure of a multi-cycle air-breathing pulse detonation engine (APDE) are investigated experimentally. An APDE with 68 mm in diameter and 2 050 mm in length is operated using gasoline/air mixture. Straight nozzle, converging nozzle, converging-diverging nozzle and diverging nozzle are tested. The results show that thrust augmentation of converging-diverging nozzle, diverging nozzle or straight nozzle is better than that of converging nozzle on the whole. Thrust augmentation of straight nozzle is worse than those of converging-diverging nozzle and diverging nozzle. Thrust augmentations of diverging nozzle with larger expansion ratio and converging-diverging nozzle with larger throat area range from 20% to 40% on tested frequencies and are better than those of congeneric other nozzles respectively. Nozzle effects on inlet pressure are also researched. At each frequency it is indicated that filling pressures and average peak pressures of inlet with diverging nozzle and converging-diverging nozzle with large throat cross section area are higher than those with straight nozzle and converging nozzle. Pressures near thrust wall increase in an increase order from without nozzle, with diverging nozzle, straight nozzle and converging-diverging nozzle to converging nozzle.     

Experimental Investigation on Performance of Pulse Detonation Rocket Engine Model

The PDRE test model used in these experiments utilized kerosene as the fuel, oxygen as oxidizer, and nitrogen as purge gas. The solenoid valves were employed to control intermittent supplies of kerosene, oxygen and purge gas. PDRE test model was 50 mm in inner diameter by 1.2 m long. The DDT （deflagration to detonation transition） enhancement device Shchelkin spiral was used in the test model. The effects of detonation frequency on its time-averaged thrust and specific impulse were experimentally investigated. The obtained results showes that the time-averaged thrust of PDRE test model was approximately proportional to the detonation frequency. For the detonation frequency 20 Hz, the time-averaged thrust was around 107 N, and the specific impulse was around 125 s. The nozzle experiments were conducted using PDRE test model with three traditional nozzles. The experimental results obtained demonstrated that all of those nozzles could augment the thrust and specific impulse. Among those three nozzles, the convergent nozzle had the largest increased augmentation, which was approximately 18%, under the specific condition of the experiment.     

爆震管喷管流动数值研究

为了获得高性能的爆震管,应用时空守恒元和解元(CE/SE)法对带不同形式喷管的爆震管进行二维轴对称数值模拟,分析复杂的爆震波流场,研究喷管对爆震管性能的影响。结果表明,爆震管的推进性能的提高受喷管的长度、夹角和形状的影响,其中长喷管性能优于短喷管,收敛扩张喷管性能优于收敛喷管,钟形喷管性能优于扩张喷管。     

抛物形喷管的激光推进能量相似律数值研究

针对吸气式抛物形喷管,通过辐射输运方程和流体力学方程联立求解,计算激光能量沉积过程中的爆轰波流场,并采用高温平衡气体模型计算后续的激波流场,得到了不同构形的喷管在不同条件下的冲量和冲量耦合系数。提炼了耦合多种影响因素的无量纲因子,讨论了入射激光能量和喷管构形对推进性能参数的影响,建立了抛物形喷管激光推进的能量相似律。结果表明:当顶点到出口最外侧点连线和对称轴的夹角固定时,冲量和冲量耦合系数随无量纲因子先增大后减小,在0.37附近取得极大值;当无量纲因子固定时,冲量和冲量耦合系数均随夹角增大而减小,冲量随入射激光能量增加而增大,冲量耦合系数受能量的影响程度很小。     

脉冲激光推进的能量相似律理论研究

激光推进的能量相似律,指确定的激光能量有与之相对应的最佳喷管尺寸,使得冲量耦合系数最大且不变的规律。用大气高度参数、入射的激光能量、喷管几何参数构造了无量纲因子,建立了圆锥形喷管在单脉冲条件和一维球对称点聚焦情况下的能量相似律。结果表明:当锥角固定时,冲量和冲量耦合系数存在极大值,极大值对应的无量纲因子仅与气体比热比相关;当无量纲因子固定时,冲量随入射激光能量增加而单调增大,冲量耦合系数则与能量无关。本文的研究结论和规律性认识,对目前可实现和以后工程化放大的激光能量范围,均能给出可信可靠的喷管优化尺寸。     

Continuous Detonation Engine and Effects of Different Types of Nozzle on Its Propulsion Performance

 The rotating propagation of a continuous detonation engine (CDE) with different types of nozzles is investigated in three-dimensional numerical simulation using a one-step chemical reaction model. Flux terms are solved by the so-called monotonicity-preserving weighted essentially non-oscillatory (MPWENO) scheme. The simulated flow field agrees well with the previous experimental results. Once the initial transient effects die down, the detonation wave maintains continuous oscil-latory propagation in the annular chamber as long as fuel is continuously injected. Using a numerical flow field, the propulsion performance of a CDE is computed for four types of nozzles, namely the constant-area nozzle, Laval nozzle, diverging nozzle and converging nozzle. The gross specific impulse of the CDE ranges 1 540-1 750 s and the mass flux per square meter ranges 313-330 kg/(m2&;#8226;s) for different nozzles. Among these four types of nozzles, Laval nozzle performs the best, and these parame-ters are 1 800 N, 1 750 s and 313 kg/(m2&;#8226;s). A nozzle can greatly improve the propulsion performance.     

喷管结构形式对两级PDE性能的影响分析

为了研究喷管结构形式对两级 PDE 性能的影响及作用规律,以氢气和空气混合物为例,采用 FLUENT 软件中的 k-ε湍流模型,使用非平衡壁面函数、PISO 算法及基于梯度的动态自适应网格加密方法,对收敛、扩张、收扩等不同喷管结构形式的凹面腔内环形向心射流聚心碰撞产生激波会聚起爆爆震波的过程进行了数值模拟,并对两级脉冲爆震发动机产生的推力和冲量进行了计算。通过对不同时间点凹面腔产生的推力和冲量、喷管产生的推力和冲量、两级 PDE 总的推力和冲量三者之间的对比和分析,发现凹面腔产生的推力和冲量是两级 PDE 总的推力和冲量的主要来源,不同喷管结构形式对两级 PDE 推力和冲量性能的影响有较大的差别。以冲量为例,收敛喷管可以提高凹面腔的冲量,但是由于自身同时产生过多负的喷管冲量,因而总冲量较小;扩张喷管虽然对凹面腔冲量的提高作用不大,但是由于其自身可以提供正的喷管冲量,所以总冲量较大;收扩喷管的收敛段也可以较小幅度的提高凹面腔冲量,但同时产生的负喷管冲量会和扩张段产生的正喷管冲量发生抵消,使总的喷管冲量比较低,发动机总冲量也较小。综合考虑各方面因素,扩张喷管性能最优。可见在两级 PDE 喷管结构形式的选择上,要同时考虑凹面腔冲量和喷管冲量,权衡两者,才能选择出合适的喷管。     

多单元圆转方塞式喷管的性能计算和分析

采用NND差分格式求解三维平均雷诺N-S方程的数值方法, 对多单元圆转方塞式喷管的性能进行了计算.首先比较了钟型喷管、二维喷管、圆转方喷管、方形喉部方形出口喷管的流动特点和性能, 然后研究了转方位置、转方后型面和出口圆角对圆转方内喷管性能的影响以及圆转方结构型式、内喷管倾角、塞锥型面变化对塞式喷管性能的影响, 并且给出了具有较高性能的多单元圆转方塞式喷管设计方案.研究结论对于多单元圆转方塞式喷管的优化设计有一定的参考作用.