爆震波与非预混燃料射流相互作用的研究

为研究旋转爆震发动机（Rotating Detonation Engine, RDE）中燃料/氧化剂喷射和掺混对爆震波的影响及非预混环境下的爆震波的快速起爆与稳定传播,本文采用线性模型爆震发动机（Linear Model Detonation Engine,LMDE）来简化实际燃料喷射与爆震波相互作用的物理问题。通过RNG K-?湍流模型结合7步7组分氢气/空气机理的三维非定常反应流模拟方法,探究真实喷射条件下爆震波与混气相互作用、爆震波衰减及自持的特性。结果表明：氢气/空气的掺混均匀度至少要达到0.6才能使爆震波在非预混环境下传播;氢气孔与空气缝的入口压比需要满足爆震波进入燃烧室时,非均匀混气区恰好集中在氢气孔附近,燃料完全释放能量维持爆震波传播。     

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。     

中心锥体结构脉冲爆震火箭发动机初步实验

为了改善采用液态燃料的脉冲爆震火箭发动机内部燃料的雾化以及燃料混合物的掺混状况,采用了一种中心锥体结构.该结构发动机不采用Shchelkin螺旋增爆装置,而采用中心锥体结构、二级供应方式.采用航空煤油为燃料、压缩氧气为氧化剂、压缩氮气为隔离气体,在该结构脉冲爆震火箭发动机上获得了充分发展的爆震波并且能够在多循环条件下稳定工作.实验结果表明,该结构可以大大缩短DDT(deflagration to detonation transition)距离,在实验条件下爆燃向爆震转变距离约为管径的5倍.较之同一管径采用Shchelkin螺旋增爆装置的脉冲爆震火箭发动机,该结构发动机的爆燃向爆震转变距离缩短了57.5%.      

非预混喷注对旋转爆震发动机影响的数值研究

为了研究真实情况下非预混喷注对旋转爆震发动机工作过程的影响,采用氢氧7组分8步化学反应的基元反应模型,忽略黏性、热传导和扩散等输运效应。对真实情况下燃料(H₂)和氧化剂(Air)分开喷注的旋转爆轰发动机进行三维数值模拟,深入分析了非预混条件下的旋转爆震波流场结构,探讨了燃料喷注方式对发动机性能的影响。计算结果表明:本文方法可有效模拟燃料与氧化剂非预混喷注的旋转爆震波流场。在给定的计算条件下,不同喷注方式发动机的爆震波平均传播速度大约为1640~1840 m/s;平均推力为90~100 N;基于混合物的比冲为820~900 m/s。随着燃料喷注位置的前移,发动机性能明显提高;燃料喷注角度对发动机性能影响较小,随着喷注角度的减小,发动机性能逐渐提高,提高幅度较小;燃料双侧喷注的性能明显优于单侧喷注。旋转爆震发动机的性能与燃料/氧化剂的冷流掺混效果成正比。     

脉冲爆震发动机中温度和组分浓度测量技术的发展

脉冲爆震发动机内部工作条件极其恶劣,测量爆震波温度和某组分浓度十分困难。本文回顾了近几年国内外在爆震温度场测量方面的技术发展,特别是应用激光诊断技术测量爆震波的温度和某些组分浓度。总结了国内外应用光学诊断技术测得的爆震波火焰温度,结果发现:对气体燃料/氧气而言,在化学恰当比下一般其爆震波温度大约为3900K,与CJ理论值非常接近;然而对液态燃料JP-10而言,当氧化剂为氧气时,爆震波温度为2500K;当氧化剂为空气时,爆震波温度仅仅约为1500K。     

旋转爆震三维非预混混合特性及流场结构研究

为深入研究旋转爆震三维非预混流场结构,基于7组分8步反应的化学反应模型,开展了H2/Air旋转爆震流场的数值模拟研究,计算中考虑了黏性的影响。计算结果表明:该喷注结构在冷流流场中混合效果较好,能够在较短距离内实现燃料和氧化剂的充分混合,但起爆后燃烧室内形成的高压环境使得外壁面附近来流可燃气难以到达,可燃气体层主要靠近燃烧室内壁面;旋转爆震波沿燃烧室内壁面周向传播,爆震波后沿径向和周向方向形成"双诱导激波"结构,并进一步导致爆震波后出现高温区和高压区"不吻合"的流场现象;在燃烧室入口截面,爆震波后形成"三诱导激波"结构,诱导激波通过空气环缝向上游传播并对来流燃料和氧化剂的喷注产生影响。     

圆盘旋转爆震燃烧室中爆震波传播模态

本文的目的在于通过求解14组分19步CH4/O2反应的欧拉方程去研究燃料喷射温度、压力、燃烧室内外直径比值和燃烧室径向长度对圆盘结构下旋转爆震传播模态的影响。研究表明,只有预混气喷射温度范围为500-900K,喷射压力范围为0.5-3.5MPa的条件下能够在固定燃烧室内形成连续的旋转爆震波。受燃烧室结构影响,旋转爆震波的传播模态分为稳定模态和非稳定模态。整个非稳定传播模态根据爆震波对前周期的干涉又可以分为干涉阶段和不干涉阶段。在不干涉阶段,爆震波传播速度略高于Chapman-Jouguet (CJ)速度;在干涉阶段,爆震波传播速度低于CJ速度且爆震波被间断面分割成两部分。非稳定模态爆震波传播速度小于稳定模态,而爆震波夹角、燃烧室出口面积比则反之。     

煤油/空气气动阀式脉冲爆震发动机试验

为了研究煤油/空气气动阀式脉冲爆震发动机(简称PDE)的爆震波特性,建立了一整套试验系统,在进气加温和燃油加温的条件下,以液态煤油为燃料、以空气为氧化剂,在内径100 mm、长为2000 mm的爆震管内进行了大量的多循环爆震试验。研究了液态煤油和低污染空气(接近纯空气)形成的可爆混气的爆震波特性,研究了气动阀和空气加热器的设计方法等。研究结果为进一步研究液态燃料和高污染空气形成可爆混气的爆震燃烧机理提供了依据,为研制工程应用的PDE提供理论和实践基础。      

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。     

脉冲爆震火箭发动机的原理性试验

阐述了脉冲爆震火箭发动机(PDRE)性能特点、结构和工作过程。采用航空煤油为燃料,氧气和压缩空气为氧化剂,分别进行了两相脉冲爆震火箭发动机原理性试验,所测得的爆震波压力接近充分发展的理想爆震波压力,说明采用煤油作为脉冲爆震火箭发动机的燃料是可行的。     

航空发动机设计任务循环的选取

由某型发动机的未来使用任务推导了其设计飞行任务剖面和飞行任务混频,然后根据该发动机的高度－速度特性得出了其转速剖面。在该转速剖面下对发动机的压气机盘进行了应力和疲劳寿命计算,由计算结果得出该发动机设计任务循环的选取范围,认为：航空发动机的设计任务循环除0－最大－0、慢车－最大－慢车和巡航－最大－巡航3类循环以外,还应当包括对发动机构件疲劳寿命有较大影响的其它载荷循环,否则将造成设计载荷估计精度大大降低。     

液氧煤油补燃发动机泵间管路高温富氧燃气掺混冷凝特性数值研究

针对液氧煤油补燃发动机液氧预压泵和主泵间管路富氧燃气掺混冷凝现象,建立了大过热度下富氧燃气和液氧两相流动掺混冷凝特性的全三维数值仿真方法,并以常温制冷剂R123为工质,通过气液掺混冷凝实验验证了数值仿真模型对管内两相流型和气液再液化性能的精确预测能力.仿真结果表明:弯管段气液两相在离心力作用下发生横向相对流动,强化了相...     

冷却环带喷注结构对煤油超临界液膜的影响研究

针对液氧/煤油补燃发动机液膜冷却过程,建立了超临界条件下的液膜冷却模型,分析了冷却环带喷注结构对局部流动和冷却效果的影响.在超临界条件下,煤油和周围燃气为同种流体,用同一组方程来描述其流动与传热过程,对3种典型冷却环喷注结构的流动进行了数值模拟.结果表明:冷却环带的出口角度、台阶结构和喷射角对局部流动和传热有显著影响,出口角度小于90°的台阶式结构可减小局部回流从而有利于推力室的热防护.      

超声速气流中凹槽结构煤油喷射和掺混研究

针对凹槽超声速气流中的喷射掺混现象开展了实验和数值计算研究。实验中采用了高速阴影法和PLIF(Plane laser induced fluorescence)方法详细地记录了实验现象。结合高速阴影得到的喷射和掺混随时间的流动变化过程,分析了其流动结构和机理。针对在凹槽内喷射的方案研究了喷射压力(1.0 MPa,3.0 MPa,4.0 MPa)、喷射角度(45°,90°)、来流总压和马赫数对掺混的影响。结果表明:在高速气流中,煤油破碎雾化机理依赖于大速度差、强剪切气流作用。煤油雾化区和来流空气混合边界存在涡结构。对小孔(d=0.4 mm)喷射,即使在高压(4.0 MPa)垂直喷射条件下,煤油射流产生的弓形激波强度也较弱。由于剪切层的存在导致上述参数变化对煤油穿透深度的影响较小。     

高温合金IN718上气膜冷却孔电火花加工试验

针对高温合金IN718上ø0.5mm气膜冷却孔的加工,采用煤油中旋转电极内冲液电火花成型加工方法,利用正交试验设计方法对试验进行设计分析,分析峰值电流、脉宽、占空比和冲液压强4个因素对材料去除率和电极相对损耗的影响,基于正交试验结果建立综合评分公式,选择最优加工参数.研究结果表明,峰值电流对材料去除率的影响最明显, 其次为冲液压强和占空比,脉宽对材料去除率的影响很小;峰值电流对电极相对损耗的影响最明显,其次为冲液压强,占空比和脉宽对电极相对损耗的影响很小;最优的加工参数峰值电流为8A、脉宽为130μs、占空比为0.35、冲液压强为5MPa,对该参数进行加工试验研究,与分析结果一致.      

二冲程重油直喷发动机混合气形成研究

针对航空煤油蒸发困难、二冲程发动机油耗高的问题,建立了二冲程重油直喷发动机的三维仿真模型,并通过试验验证了模型的准确性。在此基础上研究了发动机的换气及混合气形成过程。研究结果表明:推迟喷油在减少燃油短路时间的同时,避开了排气流量较大的自由排气阶段,可以提升燃油捕获率;提前喷油,利用废气的高温可以加快煤油的蒸发进程,并且喷油过晚会导致煤油蒸发不完全、油气混合不均。所研究发动机在下止点前80°曲轴转角开始喷油可以保证燃油蒸发和均匀混合的同时提升燃油的捕获率。此时发动机具有较高的指示功率和较低的燃油消耗率,分别为84.0 kW和360.3 g/kWh。该研究结果可以为二冲程重油直喷发动机的喷油参数优化提供理论支撑。      

补燃循环发动机强迫起动过程

以补燃循环液氧煤油发动机系统为研究对象,对其强迫起动特性进行了研究.建立了描述补燃循环发动机瞬变过程的数学模型,提出了求解推进剂供应管路瞬变流控制方程的Chebyshev伪谱方法.采用新的面向对象仿真语言Modelica,建立了可扩展的发动机仿真模型库,在MWorks平台上,利用模型库搭建了补燃循环液氧煤油发动机仿真模型.对发动机强迫起动过程进行了仿真计算,计算结果与试车数据基本相符,其中稳态相对误差小于4%,动态相对误差小于10%,初步验证了模型的正确性.进一步分析了火药起动器工作时间、阀门打开时序等因素对发动机起动过程的影响.结果表明,为保证该发动机可靠起动,发生器点火应在氧化剂头腔充填完成后,火药起动器工作时间应持续到发生器点火.      

无阀式脉冲爆震火箭发动机运行稳定性实验

以无阀模式运行时,脉冲爆震火箭发动机可达到更高的运行频率,但容易出现连续燃烧、点火不成功以及运行频率与点火频率不一致等运行不稳定问题。为探索供给条件对运行稳定性的影响,采用乙烯为燃料、富氧空气为氧化剂,开展了实验研究,分析了氧化剂中氧气体积分数对运行稳定性的影响。结果表明,采用氧气体积分数分别为40%和66%的氧化剂时,当量比范围分别为1.2~1.7和0.8~2.3时才能产生稳定的爆震波;采用氧气体积分数66%的氧化剂时,可获得稳定爆震波的当量比范围较宽;稳定产生爆震波时,爆震管封闭端附近的压力振荡会向供给通道的上游传播,造成通道内介质的流动振荡,振荡频率与运行频率呈倍数关系;爆震波不稳定产生条件下,供给通道内的流动振荡表现为无规律的低频振荡,该振荡加剧了无阀无隔离模式运行的不稳定,故有必要在供给通道内加装压力反传抑制装置。     

基于内禀模态高频积分能量法的煤油发动机爆震因子计算方法

提出了基于内禀模态高频积分能量法的爆震因子计算方法.该方法对电控二冲程煤油发动机缸内燃烧压力信号进行经验模态分解,自适应得到若干内禀模态函数分量与残余函数.对内禀模态函数分量采用快速傅里叶变换得到爆震高频信号分量,选取残余函数峰值对应的曲轴转角为爆震窗口起始曲轴转角,对爆震窗口宽度分析,得到合理爆震窗口宽度持续曲轴转角为30°.利用内禀模态高频积分能量法对无爆震、轻微爆震、中度爆震与强烈爆震工作循环的缸内燃烧压力信号进行爆震因子计算,得到4个工作循环的爆震因子分别为0.6642,1.8191,3.0275,5.3717,可表征爆震的强弱.研究表明基于内禀模态高频积分能量法的爆震因子计算方法简便、快速有效.