轴向侧向膨胀与通道曲率耦合影响下的旋转爆震波传播特性研究

为揭示轴向侧向膨胀对弯曲通道中爆震波传播特性的影响,在内壁面半径为45 mm的封闭与半封闭弯曲通道中,选用10、20 mm和30 mm这3种预混气高度,燃料与氧化剂分别为乙烯和稀释比为0.5的氮氧混合物,实验研究了不同当量比时侧向膨胀对爆震波的峰值压力、传播速度及传播模态的影响。结果表明：侧向膨胀影响下,爆震波峰值压力和传播速度降低,在贫燃和富燃工况下损失更加明显;随预混气高度降低,压力和速度亏损进一步增加。根据爆震波内壁面Dn/DCJ沿程变化特征,可观察到稳定模态、临界模态、弱不稳定模态、强不稳定模态和缓燃模态。爆震波在封闭弯曲通道内稳定传播的临界内壁面半径为9.07～10.55倍的平均胞格尺寸。引入侧向膨胀影响后,更小的通道曲率有利于降低损失,提升爆震波抵御侧向膨胀的能力,其在半封闭弯曲通道内临界内壁面半径增至15.62～18.32倍胞格尺寸以维持稳定传播。     

基于侧向膨胀影响爆震波的自持机理

为了研究受侧向膨胀影响时爆震波的传播特性及自持机理,在实验段对比分析了当量比(0.70~2.25)和波前预混气高度(1,2,3cm)对爆震波自持传播能力的影响.实验表明:波前预混气高度越高、预混气活性越强,则爆震波抵御侧向膨胀影响的能力越强,速度亏损越小,自持传播能力越强.运用Fay流体扩张理论,Dabora和Murray速度亏损理论,并结合Zeldovich-von Neumann-D?ring(ZND)模型对受侧向膨胀影响的爆震波激波角、界面角和速度亏损进行理论预测,证明Dabora的理论预测与实验值吻合很好,且发现若要受侧向膨胀影响的爆震波自持传播,则其速度亏损的极限为7.0%~11.0%.      

侧向膨胀对单边膨胀喷管性能的影响研究

为研究侧向膨胀规律的变化对单边膨胀喷管性能的影响规律,运用三次曲线参数化方法给定不同的侧向膨胀规律,基于准二维特征线法设计得到相应的带侧向膨胀的三维非对称喷管构型,结合CFD计算结果,分析了直侧壁和曲侧壁两类侧壁型线对喷管性能的影响规律。为验证数值模拟方法的可靠性,选取具有10°膨胀角的直侧壁喷管进行风洞试验,数值模拟结果与实验结果吻合较好。研究结果表明:在给定的设计条件下,侧向膨胀角为6°时直侧壁喷管性能最优,该膨胀角可使喷管长度减短34.05%。侧向膨胀在保证喷管推力性能的同时,对减短喷管长度、减轻喷管重量具有重要意义;曲侧壁喷管侧壁面产生的推力变化趋势与整个喷管构型产生推力的变化趋势一致;\"凸曲线\"侧壁型线初始膨胀角较大,更有利于提高三维尾喷管的推力性能。     

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.      

壁面抽吸条件下的爆震波传播特性

为研究静止气中壁面抽吸对爆震波传播特性的影响,采用数值模拟方法研究了多孔抽吸壁面条件下爆震波的流场结构、传播速度等特性的变化规律。结果表明多孔抽吸壁面对爆震波传播特性有两方面的影响。首先,流场与多孔壁面发生碰撞产生弧形激波,弧形激波对爆震波的横波结构造成直接破坏,导致靠近多孔壁面区域的爆震波产生明显的速度亏损,爆震波强度削弱甚至熄爆;其次,多孔壁面作用导致了流场不稳定性增强,流场与孔板碰撞产生高温高压点,对爆震波的传播有促进作用,尤其在临界条件下,可能导致爆震波熄爆后重新起爆。在保持抽吸压力和边界条件不变情况下,对不同活性及不同抽吸距离时的爆震波传播特性进行研究,发现预混气活性降低、抽吸距离增长时,爆震波结构和传播速度受壁面抽吸影响增强。在加长抽吸距离条件下,随着预混气活性的降低,存在3种爆震波传播现象,即自持传播、熄爆后重新起爆以及完全熄爆。将相应工况下的实验研究与数值模拟结果进行对比,验证了数值模拟结果的正确性。     

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。     

带侧向膨胀的三维非对称喷管设计和性能分析

针对带侧向膨胀的三维矩形截面非对称喷管,提出了一种基于准二维特征线法的喷管设计方法,获得了基于准二维特征线法的非对称喷管设计程序.然后,根据给定的几种侧向膨胀规律,通过该设计方法获得了相应的非对称喷管构型,并将该构型与通过优化算法获得的最优构型进行了比较,结果表明:两种方法所设计的非对称喷管的上、下壁面型面基本重合,喷管壁面压力分布趋势基本一致,验证了准二维特征线法的可靠性.与最优构型的性能相比,该方法所设计的喷管构型,推力偏差低于0.60%,升力偏差低于8.07%,且该设计法将设计耗时由30.5h减少到2h,可方便地应用到带侧向膨胀喷管的初期设计中.      

连续旋转爆震波传播过程研究(Ⅰ):同向传播模式

通过改变空气、氢气质量流量,在大工况范围内开展了H2/Air连续旋转爆震试验,结合高频压力测量和高速摄影观测手段,重点分析了同向传播模式下的爆震波传播过程。在该模式下爆震波头个数随推进剂总流量的增大而增多,但同一时刻所有爆震波头的传播方向相同。试验发现了单波、混合单/双波、双波三种连续旋转爆震波传播模态,三种模态分别对应一定的试验工况范围。单波模态下的爆震波传播主频为5.05~5.8kHz,平均传播速度为1510~1735m/s;双波模态下的爆震波传播主频为8.6~9.9kHz,平均传播速度为1280~1480m/s;而在混合单/双波模态下,在试验过程中爆震波头个数会发生变化。当试验工况位于工况范围中间时,单、双波模态下的爆震波传播过程比较稳定,不会改变传播方向;而当试验工况位于工况范围边界时,发现了连续旋转爆震波改变传播方向的现象。     

爆震波在爆震燃烧室内传播过程的数值模拟

在研究混合气体燃烧中产生的爆震波传播机理的基础上,应用特征线法对爆震波在爆震燃烧室内的传播过程进行了数值模拟,为分析脉冲爆震发动机的工作原理、性能计算与分析及实验研究提供理论依据。     

脉冲爆震燃气膨胀过程及能量转换难易度评价方法

为了提高脉冲爆震燃气的能量转换效率,分析了脉冲爆震燃气在涡轮内的膨胀过程,建立了评价爆震燃气能量转换难易度计算方法,并基于脉冲爆震燃烧室与轴流涡轮匹配工作数值模型,采用涡轮效率对燃气能量转换难易度计算方法进行了验证,结果表明:①爆震波膨胀过程,爆震燃气在涡轮静叶内会产生热壅塞现象,并往上游形成前传压缩波;②涡轮内爆震燃...     

脉冲爆震燃烧室出口燃气能量分布特性

为了提高脉冲爆震燃烧室出口燃气能量转换效率,采用数值计算方法,研究了带气动阀和爆震增强结构的脉冲爆震燃烧室出口燃气能量分布特性,结果表明:脉冲爆震燃气的膨胀过程先后经历一次膨胀、二次膨胀和过度膨胀3个阶段,单个周期内二次膨胀阶段的时间和能量占比最大;燃烧室出口燃气压力势能、动能、内能和能流密度的分布主要受燃气压力的影响,且变化规律与燃气压力一致;一次膨胀阶段燃气增加的压力势能、动能、内能分别占单个周期的479%、259%、251%;二次膨胀阶段燃气增加的压力势能、动能、内能分别占单个周期的502%、576%、581%。     

连续旋转爆震波细致结构及自持机理

基于化学非平衡流解耦方法和详细化学反应机理,在0.1mm的网格尺度下对连续旋转爆震波内流场和爆震波平掠惰性气体界面的传播过程进行了数值模拟。详细分析了连续旋转爆震波的空间结构,由于在出口侧无几何约束,受一系列稀疏波的影响,旋转爆震波强度受到不同程度的削弱,形状也发生了相应的变化。爆震波平掠惰性气体界面时的流场分布与连续旋转爆震波结构极为类似,对比研究了波前可燃气体层高度对爆震波结构和传播过程的影响,当爆震波高度较小时,其抵御惰性气体侧稀疏波衰减的能力弱,波阵面严重变形,爆震波解耦。若爆震波要稳定自持传播,其必须要达到一定的临界高度来抵御稀疏波的影响。     

凹面腔内二维激波会聚特性研究

为了研究凹面腔内二维激波会聚的特性,设计、建立了二维激波会聚冷态实验系统,进行了二维激波会聚冷态实验,结果表明：当射流入口宽度增大时,相同射流入射压力下,喷入凹面腔内的射流强度增大,导致凹面腔内的激波会聚强度增强,从而压力脉动幅值增大,频率也随之增大。数值模拟了二维冷态激波会聚过程,从模拟结果中的压力和频率上看,模拟结果与实验结果基本上是吻合的。     

气流出口型面对凹面腔内激波聚焦起爆的影响

为提高两级脉冲爆震发动机工作的可靠性,探寻强化凹面腔内激波聚焦起爆爆震波的方法,通过数值模拟,采用氢气作为燃料、空气作为氧化剂,探讨了3种凹面腔气流出口型面及出口面积对激波聚焦起爆的影响。结果表明:采用垂直出口壁面有助于提高凹面腔内的激波聚焦起爆压力和温度,使起爆时刻提前,随着出口面积的减小,激波聚焦峰值压力有较大的提高;但效果不如垂直壁面,随着倾斜壁面出口面积减小,起爆点的压力和温度只有小幅度增加,起爆时刻基本无变化;采用弧形出口壁面,不能对向凹面腔底部传播的激波产生反射强化作用,不能有效起爆爆震波。对比3种出口壁面型面,垂直壁面能更有利于凹面腔内的能量聚集,强化激波聚焦起爆爆震波。      

凹面腔内的激波会聚冷态实验

为研究两级脉冲爆震发动机中激波聚焦起爆技术,研制了激波会聚起爆原理样机,建立了整套实验系统.利用三维激波会聚起爆原理样机,开展了导流角度、气流出口面积、尾喷管扩张角、凹面腔与射流入口间距离等对凹面腔内气动振荡频率和压力影响的冷态实验研究.结果表明:导流角增大,气动振荡频率增大;气流出口面积减小,气动振荡频率增大,凹面腔底部动态压力脉动幅值增大;喷管扩张角度增大,气动振荡频率数目增多;随着凹面腔与环形射流入口间的距离L增长,气动振荡频率降低,凹面腔底部动态压力脉动幅值降低.      

乙烯和汽油多循环脉冲爆震发动机起爆特性比较

为了研究脉冲爆震发动机(PDE)结构对其工作性能的影响,在内径为40mm、长为1050mm的气动阀式脉冲爆震发动机样机上,进行了气态乙烯/空气和液态汽油/空气的多循环起爆特性试验研究.研究结果表明:在25,30Hz和40Hz下都能在乙烯/空气中成功触发爆震波,40Hz下产生C-J(Chapman-Jouguet)爆震波,传播速度为1724m/s(低于C-J爆震波速度理论值1832.45m/s的5.6%),峰值压力为3.01MPa(高于C-J爆震波压力理论值2.79MPa的7.88%).在相同结构下,汽油/空气未能完成由缓燃向爆震转变的过程.通过对比两种燃料下的试验结果发现:相对于气态燃料,液态燃料受其蒸发过程的影响,在爆震管内的火焰加速缓慢,需要更多的强化燃烧装置来加速火焰,带来的总压损失也更大.因此,对于液态燃料改善雾化和蒸发,提高可爆混气的质量是其实现低阻起爆的关键.      

考虑恒滞差流动的爆震波特性参数计算

在两相脉冲爆震的研究过程中,以恒滞差流动假设为基础,考虑气液两相性来计算爆震波的特性参数。计算结果与实验数据对比表明:考虑气液两相性计算得到的爆震波特性参数更能真实反映两相脉冲爆震的流动情况。     

入射喷口宽度对环形射流激波聚焦起爆爆震的影响分析

为了研究射流入射喷口宽度对环形激波聚焦爆震起爆的影响,本文以氢气和空气混合物为例,对不同射流入射喷口宽度的环形激波聚焦爆震起爆过程进行了数值模拟,结果表明,当入射温度为一定值时,不同宽度的环形射流入射喷口对应着不同入射压力pin的临界值,当pin大于该临界值时,其形成的激波聚焦才能够形成高温、高压区域,从而起爆爆震波;随着入射喷口宽度的增加,射流的入射强度增大,其对应的临界入射压力随之减小。