旋转爆轰发动机工作过程的数值模拟

为了深入研究旋转爆轰发动机工作过程,采用高精度高分辨率迎风通量分裂格式(AUSMPW+)、氢氧7组分8反应化学动力学模型,求解三维带化学反应的Euler方程。对旋转爆轰发动机工作过程进行了数值模拟,分析了采用预爆轰管点火过程的流场特征以及整个发动机推力、推力偏心距、侧向力随时间的变化规律。计算结果表明:切向预爆轰管紧贴喷注入口时,点火过程仅产生一道单向爆轰波,能成功点燃旋转爆轰发动机;在本文给定的计算条件下,旋转爆轰发动机平均推力约180N,旋转爆轰波传播频率约为14285Hz;旋转发动机正常工作过程中,推力偏心矩、侧向力随时间周期性变化。     

脉冲爆震发动机供油自适应控制优化设计

研究了带气动阀PDE的供油自适应控制优化设计，通过在油管中设置单向阀和通过油管自身(无单向阀)，成功实现PDE的供油自适应控制，在爆震管直径为180mm，长度为2m，管内流速为25m／s的PDE中，可以产生稳定的爆震波，并获得2MPa以上的压力和1500N以上的峰值推力。通过对不同油管长度、不同工作频率的压力、推力曲线对比研究，分析了供油自适应控制的机理，及供油相对进气滞后时间的长短对PDE工作的影响。     

脉冲爆震发动机爆震管壁换热及冷却的实验

利用Pt100热电阻对脉冲爆震发动机(PDE)在有、无水冷状态下爆震管壁沿轴向的温度分布进行了实验研究.实验结果发现爆震管同一轴向位置处,爆震外管壁温度随爆震频率的增加而增加.同一爆震频率时,距推力壁位置越远,爆震外管壁温度相对越高.向爆震管换热系统中通入冷却水之后,爆震外管壁温度有明显的降低,并且爆震外管壁温度梯度也有一定的下降,20Hz时加水冷之后,PDE工作16s时,爆震外管壁温度最高可降低106.5℃.      

直升机用新型发动机燃烧性能的数值研究

针对液态辛烷/空气两相混合物燃烧波在一维封闭空间内传播的爆燃向爆震转变(DDT)问题,运用化学反应流动基本理论、颗粒轨道模型和两步反应模型,在拉格朗日质量坐标系中建立了对该现象的数学表达,并开发了数值模拟程序CTPD,其中气体动力学方程采用显式Sγα,β差分格式,化学反应项使用二阶精度的Adams方法.通过数值模拟研究了液态燃料爆震波的基本特性,以及点火能量及初始温度对于爆震波结构与发展的影响作用.研究发现,点火能量及初始温度的提高显著促进了爆震的转变,爆震强度随着点火能量的提高而增大,随着初始温度的提高而减小.研究中计算结果与实验波形符合良好,说明本文为包括DDT现象在内的脉冲爆震发动机工作过程提供了一种可行的计算方法.     

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.     

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。     

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...     

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。     

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。     

曲面激波诱导斜爆轰的数值模拟

为了研究恰当比预混氢气-空气斜爆轰流场的波系结构和流动特征,基于带化学反应的Navier-Stokes方程,对弹头及楔穿越预混气体时诱导的斜爆轰进行了数值模拟。对流项的离散采用Steger-Warming格式,时间项采用二阶Runge-kutta方法。结果表明,对于弹头：（1）在亚爆轰条件下,能够模拟氢气-空气预混诱导爆轰流场的精细结构;（2）在超爆轰条件下,通过精细调整网格,能够很好地分辨强烈耦合的激波和燃烧波,且与Lehr实验吻合良好。对于楔结构：捕获到了清晰的三波点及其复杂精细的斜爆轰流场结构,预测的诱导燃烧距离、激波角和斜爆轰角与实验吻合良好;通过对流场波系结构变化过程的研究,获得了流场三波点随时间的演化过程。     

多爆震室串联热射流起爆实验研究

为消除现有脉冲爆震发动机对外部脉冲起爆装置的依赖并提高脉冲爆震燃烧室工作频率,提出了一种多个爆震室封闭串联的多管燃烧室方案,通过管间的射流传递实现爆震室内的快速短距离起爆。实验结果表明,多个爆震室间可以实现逐级射流起爆,并且可以实现快速起爆,起爆所需要的时间约为1．0～1．2ms,起爆距离约为500mm,远远小于火花塞直接点火时的结果。弱火焰射流可以通过逐级增强的方式最终在下游某个爆震单元内形成爆震波。单个爆震室内射流进入和射出的时间问隔可以达到1．2～1．5ms,大约需要8个爆震单元才可能实现爆震波的封闭串联传播：     

脉冲爆轰发动机内三维两相爆轰的数值计算

根据脉冲爆轰发动机内脉冲爆轰的特点,建立三维两相爆轰的理论模型。应用国际上最近发展起来的CE/SE方法,数值模拟爆轰管内三维两相燃烧转爆轰的过程。计算结果表明:当点火起爆后,在燃烧转爆轰过程中,三维效应非常明显。当形成稳定爆轰波后,三维效应不明显。计算压力值和实验压力值符合得较好。     

爆震波点火器管路传播过程数值模拟

为了进一步研究液体火箭发动机爆震波点火器的工作过程，结合实际试验发动机用爆震波点火器的工作条件，在混合比为3，初始氢氧混气压力为0．1MPa情况下，采用常用的两步显式MacCormak差分格式和有限速率化学反应动力模型，对爆震波点火器管路中爆震波的传播过程进行了数值模拟，研究了爆震波形成后在一维管路中传播特性及性能参数。从数值模拟结果来看，稳定传播的爆震波温度可达3500K，压力达到2MPa，其传播速度可达3430m／s，从爆震波形成到其传播到2m距离的出口，用时不到0．6ms。并与试验结果进行了对比分析，数值模拟结果和试验结果符合很好，为爆震波点火器的工程设计提供了理论依据。     

真实爆震载荷作用下爆震室等寿命设计方法

结合内径为60mm的等壁厚爆震室,建立其有限元模型并施加真实爆震载荷,确定其疲劳载荷谱类型为周期性常幅谱。通过有限元模型和静态载荷作用下的解析模型分析得出爆震室壁厚和动力放大系数之间的相互影响关系,壁厚通过动力放大系数对自身进行调整,该过程中内壁的等效应力最大值逼近目标应力,以此为基础提出爆震室等寿命设计方法。根据计算结果设计加工变壁厚爆震室试验段,通过试验测量变壁厚爆震室外壁3个测点的应变,并估算3个测点内壁处的疲劳寿命,发现3个疲劳寿命最大误差为8.82%,考虑到试验与数值计算的工况误差可认为3个测点处寿命相同,验证了爆震室等寿命设计方法的正确性。      

环形爆震波聚焦起爆数值模拟

对三种带不同结构形式的环形预爆管的爆震发生器进行了数值模拟,来研究环形爆震波聚焦起爆现象及其气动特性.数值计算采用多组分理想气体详细的化学反应机理、二维轴对称非定常流动的NavierStokes方程来模拟化学动力学和流体动力学过程.研究发现用低的点火能量对环形预爆管中的燃料和氧化剂点火产生层流火焰,层流火焰在狭窄管壁的...     

两级脉冲爆震发动机激波聚焦起爆数值模拟

通过数值模拟手段,针对两级脉冲爆震发动机（PDE）激波聚焦点火起爆及周期性脉冲爆震进行了详细计算.结果表明:激波汇聚会在发动机内产生两个高温高压区域,且后者压力温度远高于前者,为点火关键.针对起爆失败的工况,提高温度、压力、马赫数3个条件中的任何一个都能成功起爆.通过全场周期性脉冲计算得知,保证成功点火起爆的前提下仍需要调整合适的参数才能维持稳定的周期性脉冲,发动机在入口温度600K,马赫数为2.0,压力为150kPa工况时能够产生稳定的周期性脉冲爆震,频率在300Hz附近.      

多循环脉冲爆震载荷作用下爆震室强度分析与结构优化

利用数值模拟获取的完整爆震循环载荷,以及爆震室有限元模型,计算分析了爆震室多循环工作时的等效应力,依据热平衡状态实测温度数据计算了温度场的影响,并对爆震室进行了壁厚优化.发现多循环工作时,爆震室最大等效应力比单次爆震时略大,但同一位置处差值不超过4%;同一位置处等效应力呈周期性变化,不同循环的最大等效应力基本不变;沿爆震波传播方向,等效应力的最大值逐渐增大.频率在10~50Hz变化时,同一位置处最大等效应力值基本不变.当假设爆震室径向温度相同且轴向可自由膨胀时,温度对应力几乎没有影响,但相同应力所产生的应变增加.      

汽油/空气两相脉冲爆震发动机触发爆震的研究

有效的触发爆震波是脉冲爆震发动机正常工作的关键所在。为了在多循环两相脉冲爆震发动机的缓燃到爆震转变过程中,有效的控制激波反射,成功的触发爆震。通过在爆震室内合理的排放障碍物来促进激波与火焰的相互作用,组织激波反射,适时的触发爆震,从而有效地缩短促发爆震的距离,并最终获得充分发展的爆震波。试验发现爆震管内同样的障碍物在不同的位置起到的作用不同。在直径58 mm,长度1275 mm的汽油/空气PDE爆震管内成功触发频率为50 Hz的爆震。      

真实爆震载荷作用下爆震室动态响应分析与壁厚优化

针对一内径为60mm的爆震室,建立其有限元模型并通过加载实验获取真实爆震载荷,计算分析了多循环工作条件下不同因素对爆震室等效应力的影响,并以此为基础对等壁厚爆震室进行了壁厚优化.研究发现:爆震室后段的等效应力峰值较前段平均高出20MPa;温度因素对爆震室等效应变影响显著,30Hz时最大等效应变较不考虑温度场情况增加51.2%;与材料、温度因素相比,爆震室壁厚对等效应力影响较大,室温条件下,壁厚为0.95mm时,最大等效应力达200MPa,已经基本达到材料的屈服应力极限(205MPa);通过更换模型材料进行计算对比发现,选择具有较高屈服应力极限、弹性模量和较低密度的材料会降低爆震室工作时的等效应力.