新概念脉冲爆震发动机研究的最新进展

论述了新概念脉冲爆震发动机的工作原理、热力循环方式、优点及应用范围 ,对国外脉冲爆震发动机的最新研究进展和存在的问题进行了综述 ,介绍了作者在脉冲爆震发动机探索性研究方面的主要成果 :修正了比冲计算公式 ;发展了一种新的低能量 (5 0mJ)单级起爆系统 ;采用爆震性较差的液体燃料C8H1 6/空气混合物 ,在国际上 ,首次成功地进行了两相脉冲爆震发动机原理性试验 ,所测量的爆震波压力比非常接近充分发展的C -J爆震 ,说明已获得了充分发展的两相脉冲爆震波 ;实验研究了脉冲爆震发动机的直径和爆震频率对其性能的影响 ;突破了将脉冲爆震发动机长度缩短到 1m ,爆震频率提高到 36Hz的关键技术     

气动阀式脉冲爆震发动机部分充填机理研究

研究了不同部分充填比例对煤油/空气气动阀式脉冲爆震发动机(PDE)的爆震波压力特性影响,初步分析了部分充填的爆震管内一系列波相互作用的机理。研究结果表明,在气动阀选定、爆震管长度和爆震管内部结构一定条件下,随着脉冲爆震发动机可爆混气充填爆震管比例的降低,虽然爆震波压力峰值略有下降,但是,单位体积可爆混气获得的冲量线性增加,提高了脉冲爆震发动机的工作性能。研究结果对于煤油/空气气动阀式脉冲爆震发动机的总体优化设计,提高PDE的工作性能具有重要的参考价值。      

脉冲爆震发动机管外复杂波系的数值计算

为了研究脉冲爆震发动机外流场复杂波系的变化特点,用时空守恒元与求解元(CE/SE)方法对单爆震管和三爆震管脉冲爆震发动机外流场进行了计算。三个爆震管并排排列,管内填充按化学当量比混合的乙烯氧气混和物。通过计算,获得了脉冲爆震发动机外流场的压力分布、温度分布、激波与膨胀波的变化特点。计算结果表明该时空守恒元与求解元方法是一种较好的爆震波模拟方法,能有效地捕捉激波等强间断;三爆震管脉冲爆震发动机相对于单爆震管脉冲爆震发动机外流场复杂,存在多道相互作用、相互影响的激波和膨胀波。     

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。     

脉冲爆震发动机稳定工作性能的实验研究

为了对脉冲爆震发动机不同工作频率下稳定工作范围进行深入的研究,实验对汽油/空气可爆混气在不同工作频率、不同当量比下爆震发动机模型机的爆震压力和推力进行了测试,找出了不同频率下发动机稳定工作的最大和最小当量比。实验发现,当工作频率较低时发动机的稳定工作范围较宽,随着工作频率的增大,发动机的稳定工作范围逐渐变窄。在同一工作频率下,爆震发动机的平均推力随着当量比的增加是先增后降,但变化幅度很小,而混合比冲则是随着当量比的增加急剧下降。另外,在当量比一定的情况下,脉冲爆震发动机的平均推力随着工作频率的提高接近线性增加。     

煤油气动阀式脉冲爆震发动机爆震波压力特性试验

为研究煤油（C12H24）气动阀式脉冲爆震发动机的爆震波压力特性，通过进气加温和燃油加温，实现了以液态煤油为燃料，以空气为氧化剂，在内径0．1m，长2m的爆震管中产生了连续稳定的爆震波。分析了不同进气温度和小同燃油温度对气动阀出口流场和油雾场的影响，进而研究了不同进气温度和不同燃油温度对爆震波压力特性影响：结果表明，试验选定的双旋流加直流气动阀，当进气温度为373K和燃油温度为363K时，能够形成比较均匀的可爆混气，在爆震管内成功地产生了连续稳定的爆震波，爆震波压力峰值最大。获得进气温度和燃油温度对气动阀式PDE爆震波特性影响，为深入研究以液态煤油为燃料，空气为氧化剂的气动阀式脉冲爆震发动机工作性能提供了依据。     

侧向进气条件下爆震室内热自燃研究

通过试验的方法对侧向进气条件下脉冲爆震发动机爆震室内发生热自燃的条件进行研究。本文针对筒形旋转阀式脉冲爆震发动机,通过改变爆震室内的燃气温度测出了不同进气压力和不同进气角度下发生热自燃现象的富油限和贫油限,并测出了发生热自燃现象时的最低温度,以及最低温度和进气压力与进气角度的关系,对提高脉冲脉冲爆震发动机的性能有重要意义。     

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。     

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...     

脉冲爆震环境下涡轮性能及气热负荷的时序演变规律

针对脉冲爆震发动机涡轮部件对剧烈时变来流条件和爆震波的非定常响应问题,对脉冲爆震发动机典型工况下某单级 涡轮开展了3维非定常数值仿真,详细讨论了脉冲爆震环境对涡轮流通能力、作功能力、流动损失、温度分布及受力等关键气热特 征的影响。结果表明：爆震波在导叶上游的传播和反射会显著影响涡轮的瞬态流通特征,导致涡轮进口流动在正向和逆向间反复 变化;爆震波压缩作功使进口温度大幅升高,而导叶反射波则会使流体温度进一步升高,甚至超过来流温度的峰值;转静子叶片轴 向间隙内呈现复杂的爆震波干涉与反射结构,在此影响下所研究的涡轮转子来流攻角变化范围超过100°,从而引起涡轮流通能 力、流动结构及损失的剧烈时序变化;在爆震波的冲击下,涡轮导叶排瞬态轴向力超过涡轮稳态设计点的120倍,周向负荷超过稳 态设计点的40倍,涡轮动叶轴向力和周向负荷则可达到稳态设计点的6~7倍,给涡轮结构强度造成极大的影响;爆震波和反射波 对工质的压缩作功可使导叶表面流体的最高瞬态温度达到导叶表面流体周期平均温度的3.5倍以上,动叶的也可达到2.8倍以上, 使叶片冷却的难度增大,且可能引发严重的烧蚀问题。     

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℃.      

吸气式脉冲爆震发动机壁温试验

为了探索各频率下管壁温度随时间的变化趋势及爆震管外壁面的温度分布规律,对爆震室内径68mm,长2 000mm,以汽油为燃料、空气为氧化剂的吸气式脉冲爆震发动机进行试验,用热成像仪对稳定工作在10Hz,20Hz,40Hz下的管壁温度进行了监测。结果表明:同一频率下随时间的增加壁面温度增加速度减小;热平衡时壁面温度随频率的增加而增长,10Hz,20Hz,40Hz热平衡时外壁面最高温度分别在726℃,1011.5℃,1159.5℃以上;热平衡前管壁温度的增长速度随频率的增加而增加,管壁温度的增长速度跟频率约成正比;爆震室上沿着压缩波叠加至形成爆震的方向,温度在外壁面上递增分布,在爆震形成区温度最高,从爆震形成区到发动机出口处,温度在外壁面上逐渐降低;各频率下最高温度区位置基本不变,距点火位置1 350mm左右;同一轴向位置上的外壁面温度随频率的增加而增加,温度的增长幅度随频率的增加而减小。     

高总温空气与汽油燃料的旋转爆震验证试验

为验证高总温空气来流条件下汽油燃料旋转爆震的可行性,开展了气液两相旋转爆震发动机试验研究。旋转爆震发动机环形燃烧室外径和内径分别为202mm和166mm,长度为155mm。通过空气加热器模拟高总温空气来流环境,汽油和空气采用分开喷注的方式,分别通过高压喷嘴和环缝进入燃烧室。试验采用垂直安装的预爆震管成功起爆了旋转爆震波,并实现了旋转爆震波的连续稳定传播。试验结果表明：当空气质量流量为1110.0g/s,当量比为0.97,空气总温为713K时,旋转爆震波以双波对撞模态在燃烧室内连续传播,爆震波传播频率为1827.31Hz,与高频压力信号经快速傅里叶变换得到的主频一致,爆震波传播速度为1059.6m/s。在空气质量流量为1110.0g/s,当量比为0.84,空气总温为713K的工况下进行了3s的长程试验,验证了以高总温空气为氧化剂、汽油为燃料的旋转爆震发动机长时间连续稳定工作的可行性,获得的旋转爆震波传播频率为1907.5Hz。     

多循环脉冲爆震发动机推力测试试验

为了准确、可靠地直接测量多循环脉冲爆震发动机的推力,建立冷态阻力和热态净推力直接测量系统,针对内径114mm、长1100mm的气动阀式脉冲爆震发动机,研究冷态吹风条件下发动机及其主要部件的总压恢复、阻力损失等特性,验证推力测量系统有效地将射流试验条件下外溢气流对脉冲爆震发动机外部及其附件造成的阻力转移到支撑台架上,消除外溢气流对发动机推力测量的影响。开展大量的爆震燃烧试验,实现了脉冲爆震发动机达到40Hz稳定工作,并获得充分发展的爆震波,利用高频响动态推力传感器测量获得脉冲爆震发动机动态净推力变化规律。     

壁面温度对斜爆震发动机进气道流动特性影响的数值研究

为研究壁面温度条件对层流、转捩、湍流状态下斜爆震发动机进气道流场结构、流场参数的影响,选取Ma10级、具有曲面压缩段的斜爆震发动机进气道为研究对象进行数值模拟,对进气道壁面附近激波诱导分离区、热边界层的变化进行了深入探讨。数值模拟结果表明,进气道肩部圆弧过渡段出现的再层流化现象,壁面冷却对其起抑制作用,绝热壁面条件下再层流化程度最为严重。壁面温度的增加有利于延缓流动转捩,同时也导致了分离区尺寸的增加以及转捩、湍流状态下分离区主体位置逐渐前移,进气道内通道的转捩为分离诱导转捩,转捩位置主要受到分离点位置的影响,整体表现为壁面温度增加转捩位置前移。进气道出口顶板侧热边界层厚度随着壁面温度的增加逐渐变厚,转捩状态下热边界层厚度变化可达5%,温度峰值也随着壁面温度的增加逐渐增加,且峰值位置逐渐靠近壁面。壁面温度条件相同时,层流状态下热流、热边界层厚度均较小。转捩、湍流状态下进气道出口顶板侧热边界层较厚,约为层流状态3倍,同时转捩、湍流状态下热边界层厚度相差可达2%。     

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。     

前置涡轮组合脉冲爆震发动机性能分析

为解决纯脉冲爆震发动机地面启动问题,并提升其低马赫数下的性能优势,提出了一种利用外涵中爆震室头部压力驱动内涵中涡轮转动部件的前置涡轮组合脉冲爆震发动机,建立了相应的性能分析方法,并对其部件特性及整机性能进行了计算研究。结果表明,近似稳态的涡轮总温总压进口条件可以在该组合发动机中实现,同时随着爆震室头部侧向开孔面积与爆震室面积之比(即驱动面积比)增大,流入发动机内涵驱动涡轮的气体流量增大,而涡轮前总温、总压及涡轮落压比减小,组合发动机整机推进性能增大;通过改变驱动面积比的大小,可以获得不同的压气机增压比以适于不同的飞行马赫数,进而实现发动机宽广的工作范围。     

脉冲爆震燃烧室管壁冲击冷却效果的数值研究

根据实验测量的脉冲爆震燃烧室壁温沿程分布,推算出符合脉冲爆震燃烧室特定频率下的准稳态热流阶梯分布;在此基础上,针对叉排阵列射流冲击冷却的脉冲爆震燃烧室壁面温度分布进行了数值计算.研究表明,由于冷却气流通道端壁效应的影响,靠近爆震燃烧室尾部的射流孔的冲击射流速度较大,热流最大的燃烧室尾部管壁的温度可以得到有效的降低,而燃烧室中部的射流由于受到前排射流形成的横流影响,对管壁的冲击冷却效果较弱,使得壁面温度的峰值向中部转移.在相同的环形冷却通道进口雷诺数下,阵列射流孔宜布置在脉冲爆震燃烧室中部,射流冲击间距比Z_n/d=1.5时,管壁的峰值温度最低而且整体的平均温度最小,较小的冲击孔直径对应的冲击冷却效果较好.      

燃烧室宽度对液态燃料旋转爆轰发动机影响实验研究

为了研究燃烧室宽度对液态燃料旋转爆轰发动机工作特性的影响,搭建了气液两相旋转爆轰实验系统,以汽油/富氧空气为工质,氢气/氧气预爆轰管作为点火装置,在不同燃烧室宽度下开展了一系列实验研究,分析了爆轰波的起爆过程,以及燃烧室宽度对爆轰波传播特性与发动机推力性能的影响。实验结果表明：点火后,燃烧室内需要经过一个爆燃转爆轰过程才能形成自持传播的爆轰波;爆轰波在不同燃烧室宽度下均以双波对撞模态传播,对应的波速分布在850~1025m/s内,随着当量比增加,波速整体呈增加趋势;当燃烧室宽度减小,波速整体有所降低;不同燃烧室宽度下推力性能存在显著差异,其中燃烧室宽度在16.5mm下,发动机的推力和燃料比冲要明显低于11.5mm和9mm的;随着燃烧室宽度减小,内外壁面边界层在流场中的作用更为突出,降低了发动机推力的稳定性。