爆震管内波与火焰相互作用机理的试验

为了解波与火焰相互作用的机理,在60 mm×60 mm×2000 mm方爆震管内,用乙炔(C₂H₂)和空气混合物进行了单爆震性能研究.利用压力传感器与离子探针同时测得爆震管内的压力和火焰传播速度.根据波和火焰触发的不同时刻来分析爆震管内波与火焰相互作用的过程.结果表明:光滑爆震管内没有产生爆震波,压力波始终在火焰前面;加入阻塞比为0.4的扰流器后,爆震管内产生了爆震波.在扰流器内部,爆震波比较复杂,弱压缩波在火焰前面,但火焰在激波前面;在扰流器出口位置以后,激波在火焰前面.      

激波绕射触发爆震波的试验研究

在单爆震试验平台上对激波绕射触发爆震波的特性进行了试验研究.针对不同的激波反射器结构尺寸,测量了爆震管内气体压力变化历程及火焰传播速度,获得了不同工况下激波绕射触发爆震波的特性.结果表明:激波反射器对爆震波的形成有促进作用,并取决于反射器中的反射锥及反射孔板的结构与尺寸;在反射锥堵塞比一定的情况下,存在最佳反射锥锥角使得爆震波的形成距离最小;而反射锥与反射孔板的间距增大,爆震波形成距离增大,一旦形成稳定的爆震波后,反射器对爆震波压力的影响不大.      

圆环片扰流器对爆震燃烧特性的影响

在飞行状态下成功实行液态燃料的连续爆震在工程上有较大的难度。通过在爆震管内安装扰流器促进爆震波的形成,并针对不同扰流器结构参数对管内爆震燃烧压力和火焰传播速度的影响开展了实验研究,获得了爆震燃烧特性随扰流器长度、间距和起始位置的变化规律。结果表明:燃烧波峰值压力和火焰传播速度随扰流器片数、间距的增加和起始位置的变大而增大;当在管内产生爆震波后(爆震波峰值压力大于1.4M Pa,火焰传播速度>1 000 m/s),燃烧波压力和火焰传播速度随上述参数的改变变化不大。      

组件组合方式对两相PDE总压损失和峰值压力影响

为了提高脉冲爆震发动机(PDE)的综合性能,在冷态条件下研究了螺旋钝体组件和扰流片钝体组件的总压损失,同时研究了它们在不同工作频率下的爆震波压力,将两者结合起来进行比较,确定相应组件的损失是有效总压损失还是无效总压损失。研究表明:激波反射器能反射、会聚强激波,增加爆震波峰值压力,因此它的总压损失大部分为有效损失;对于两相混气,平面火焰发生器和中心锥的总压损失基本为无效损失;总体上讲,螺旋钝体组件优于扰流片钝体组件。     

脉冲爆震发动机的蒸发助爆器试验

为使φ180 mm的燃用汽油的气动阀式脉冲爆震发动机成功起爆,设计了几种型式的蒸发助爆器以提高燃油的蒸发率,通过蒸发助爆器内产生爆震波来触发大管内的爆震波。进行了不同蒸发助爆器管内径(φ13mm,φ16 mm,φ29 mm)的试验比较,φ29 mm的蒸发助爆器内装螺旋型钝体与不装螺旋型钝体的试验比较,以及φ29 mm和φ37 mm都装螺旋型钝体的蒸发助爆器试验比较,分析了不同管径及不同结构蒸发助爆器对爆震波产生的影响及机理,及对爆震波压力、推力的影响。结果表明,采用多管形蒸发助爆器可以使PDE成功起爆。在同样堵塞比下,在蒸发助爆器的小管内加螺旋型钝体并增加螺旋形钝体钢丝直径,减小小管壁厚,对降低推力损失有利。      

两相多循环扇形PDE试验研究

设计了一台内径90mm、外径200mm、长度1500mm,扇形角约为60°的气动阀式扇形PDE,试验研究了孔板式气动阀和旋流式气动阀两种结构的工作特性,成功实现了扇形PDE在两相混气中最高40Hz频率连续工作;研究了扇形管内不同结构激波反射器对爆震波触发的影响,试验发现,逆流安装的激波反射器对爆震波触发有利.      

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。     

突跃型与平滑型斜爆震波起爆机制数值模拟

采用带有化学反应的Euler方程,对突跃型与平滑型2种形态的斜爆震波(ODW)在起爆机制和结构特点等方面的差异进行了研究.结果表明:斜激波(OSW)后是否存在亚声速区是判定斜爆震形态的依据.当波后火焰抬升斜激波面使得亚声速区存在时,横向激波与三波点结构就会出现并形成突跃型斜爆震.当波后所有区域皆为超声速区时,波后火焰燃烧无法影响到上游激波面,则会形成平滑型斜爆震.通过斜激波关系式给出了横向激波形成所需的临界斜激波角度,只有当斜激波角度大于此临界角度时才能形成突跃型斜爆震波,反之则形成平滑型斜爆震波.      

热射流点火对爆震管内火焰加速及爆震波触发影响的数值研究

为研究热射流点火对爆震管内火焰加速及爆震波触发的影响,运用34步26组分丙烷基元反应进行了二维数值模拟,获得了5种不同的热射流发生器几何结构下的爆震管内火焰传播规律及缓燃向爆震转捩(deflagration to detonation transition,DDT)的时间与距离.结果表明:爆震管中湍流在火焰加速阶段起着重要作用,在爆震波触发阶段激波与火焰相互作用占有主导地位.根据DDT过程的定义,得到DDT时间在1.4~2.0ms之间,同时发现热射流发生器长度为150mm,热射流发生器孔径在8mm时DDT时间最短,热射流发生器长度及孔径对DDT距离的影响不大.      

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.      

脉冲爆震发动机爆震声音信号分析

通过爆震试验测得了爆震声音数据。对单次爆震的声音数据进行傅里叶变换发现,爆震声音数据中包含了与压力数据中同样的主频和多倍频,说明一直作为噪声处理的爆震声音数据可以用来辅助分析爆震发动机性能,对爆震分析和故障诊断起到积极作用。     

扇形脉冲爆震燃烧室起爆过程数值模拟

为了探究不同障碍物结构对扇形脉冲爆震燃烧室起爆过程的影响,对采用3种典型孔板障碍物的扇形脉冲爆震燃烧 室,截取其中间截面进行了起爆过程的数值模拟,研究了障碍物型式、障碍物堵塞比及障碍物间距对扇形脉冲爆震燃烧室爆燃转 爆震（DDT）距离的影响规律。结果表明：障碍物堵塞比对扇形脉冲爆震燃烧室DDT距离的影响最大,且在堵塞比为0.35~0.70时, 堵塞比越高DDT距离越短;在3种型式的障碍物中,在低堵塞比下,截面为前掠三角形的障碍物缩短DDT距离的效果最好,在高堵 塞比下,截面为后掠三角形的障碍物缩短DDT距离的效果最好;在3种障碍物间距中,当间距分别等于1倍和1.2倍的爆震室当量 直径时,扇形脉冲爆震燃烧室的DDT距离相差不大,且均短于障碍物间距等于0.8倍爆震室当量直径时的DDT距离。     

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。     

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。     

U型脉冲爆震燃烧室的点火起爆工作特性试验研究

为了缩短脉冲爆震燃烧室轴向长度,开展了气液两相U型脉冲爆震燃烧室（U-PDC）点火起爆特性试验研究。试验时采用火花塞点火和热射流点火,且点火能量可调。研究结果表明,两种点火方式均可实现U-PDC工作频率10~30Hz稳定工作,且DDT时间随工作频率提高而缩短,在5~11ms之间。此外,实现U-PDC稳定工作时,热射流所需的点火能量为0.05J较火花塞点火能量1J更低,并且热射流点火DDT距离更短,约718mm,起爆位置距来流入口的轴向距离约280mm,缩短了起爆所需的轴向长度,有利于工程应用。但是,进一步提高热射流点火能量,其DDT距离无明显变化。     

旋转爆震发动机中爆震波不稳定传播特性实验研究

在内径为60mm,外径为70mm的旋转爆震发动机实验件上,进行了以氢气/空气为推进剂的旋转爆震实验,以研究爆震波传播过程中的不稳定现象。实验中采用预爆管切向入射的方式起爆旋转爆震波,用高频动态压力传感器记录爆震波压力,用高速摄像机拍摄爆震波在环形燃烧室内的传播现象。在稳定工况下,爆震波传播速度达到1680.6m/s(为理论值的83.9%),工作频率达到7642Hz;在小流量工况下,爆震波的传播速度表现出很强的不稳定性,能从790.1m/s(理论值的39.4%)变化至1533.9m/s(理论值的76.6%)。实验发现了旋转爆震发动机的点火起爆过程中存在如下不稳定现象:爆震波自发改变传播方向,爆震波自发由一个变成两个,两个爆震波相互撞击。在实验中,还发现:不带喉部时,旋转爆震发动机中爆震波的传播方向具有随机性;带喉部时,爆震波的传播方向呈现出规律性。出现上述"不稳性"现象的可能原因是:点火起爆阶段,初始流场混乱,湍流度较大,爆震波的形成过程容易受到流场扰动的随机性干扰。     

直连式脉冲爆震发动机性能试验研究

为了掌握脉冲爆震发动机起爆和推进性能,基于汽油／空气脉冲爆震发动机模型机直连试验,开展不同工作频率下的起爆和推进性能试验研究。结果表明：模型机能在0～35Hz范围内快速起爆、稳定工作,爆燃向爆震转变距离约0．9m。随着工作频率的提高,平均推力成线形增大,但平均推力增加的斜率随着频率的升高有所降低。随着频率提高,体积比冲和混合物比冲均逐渐增加,趋势类似;频率25Hz时的体积比冲和混合物比冲最高。燃油比冲随着频率提高显著增加,单位燃油消耗率则逐渐降低;频率超过25Hz时,燃油比冲和单位燃油消耗率变化不大。     

旋转爆震发动机液态燃料预爆器设计及爆震燃烧特性研究

为了解决液态燃料旋转爆震发动机点火起爆困难和结构紧凑等问题,进行了以液态航空煤油为燃料的预爆器设计,包括离心/预膜复合燃油雾化喷嘴、点火/传焰凹腔、三枝管预爆室等结构。以液态航空煤油/氧气为工作介质,进行了离心/预膜复合燃油雾化喷嘴雾化特性和预爆器爆震燃烧特性试验研究,获得了离心/预膜复合燃油雾化喷嘴雾化粒径变化规律,以及预爆器内爆震波压力、传播速度等变化规律。研究表明:离心/预膜复合燃油雾化喷嘴的雾化效果随气流流量和油压增加而改善,预爆器接近出口位置(PCB5处)爆震波峰值压力可超过3.80MPa,爆震波传播速度可达1800m/s;随着当量比增加,预爆器内过驱爆震位置提前,有利于缩短预爆器的长度。     

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。     

爆震发动机研究进展

爆震是实现增压燃烧的一种重要途径,得益于爆震循环的热效率增益,基于爆震构建的推进装置具有显著的理论性能优势,有希望推动航空航天动力技术的跨越发展.本文在总结经典爆震理论和爆震推进相关的基础科学问题进展的基础上,进一步介绍了连续旋转爆震发动机的低阶模型建立方法以及涡轮式和冲压式连续旋转爆震发动机性能分析等方面的研究进展,...