准爆轰波传播机理的探索研究

本文分析了准爆轰波的传播过程与物理机制,提出了一个全新的准爆轰波物理模型,开展了理论分析与数值模拟研究.在该物理模型中考虑了超声速流动化学反应放热造成的动量损失,计算结果表明准爆轰波发展过程是热壅塞的.计算与实验结果的定性吻合表明了本文提出的理论模型是正确的,获得的计算结果是合理的,对于准爆轰波物理机理的讨论是有重要意义的.     

基于二维激光支持爆轰波模型的光船工作过程数值模拟

以Raizer建立的一维激光支持的爆轰波模型为基础,根据激光推进中焦点区内入射激光强度的分布情况,建立了二维激光支持的爆轰波模型。在相同的激光入射功率下,分别采用球面激光支持的爆轰波模型、球冠激光支持的爆轰波模型和二维激光支持的爆轰波模型与流场控制方程组进行耦合求解,探讨了焦点区内激光强度分布不同时的光船推进性能。结果表明,在吸收相同激光能量的条件下,三种模型所得推力曲线和冲量耦合系数在误差范围内均吻合,说明能量在焦点区的分布对光船推进性能的影响不大。     

光船对气液两相介质激光支持爆轰波影响的数值模拟

建立了气液两相介质单脉冲激光支持爆轰波的数值模型,结合光船边界条件,数值模拟爆轰波及其周围流场的演化过程,分析温度、压力、速度场在爆轰波发生时的变化特性和演化形态。研究表明:有无光船边界在30μs前爆轰波发展趋势基本一致。激光作用结束后,焦点范围处温度压力均达到最大,速度继续上升达到最大后逐渐衰减。温度最大值一直在焦点附近,压力最大值则是在激光作用时出现在中心处,激光作用结束后,转移到波阵面上,而速度最大值发生在冲击波波阵面上。光船模型中,冲击波会与壁面发生耦合作用,冲击波的反射与叠加作用使最大温度中心会向外偏移,压力和速度会在壁面与冲击波边沿接触面的两侧处达到最大值,向内侧逐渐减小。      

旋转爆轰流场的数值模拟

基于带化学反应的二维Euler方程,采用氢气-空气的9组分19步基元反应简化模型,对充有当量比的氢气-空气预混气和空气的环形旋转爆轰流场,从点火燃烧到发展成旋转爆轰的过程进行了数值模拟。根据数值结果分析了波后流场中爆轰产物受激波、高温和离心力等作用而挤向外壁,形成有利于充入燃料,实现持续稳定旋转爆轰的流场特征。还讨论流场中爆轰波、激波与间断面和内外壁面反射或折射,从而形成多个激波相交的波系特征。为认识和理解旋转爆轰流场,开展旋转爆轰的实验研究等具有现实的指导意义。     

圆柱坐标系下连续旋转爆轰发动机的数值模拟

使用两步化学反应模型对连续旋转爆轰发动机(Continuous rotating detonation engine,CRDE)进行了二维数值模拟研究。数值计算获得了同轴圆管腔中间层曲面上连续爆轰的多个循环过程。分析了燃料入射、提前燃烧、爆轰波结构和波传播速度等几个关键问题。计算获得燃烧室内流场结构与之前实验研究结果定性符合。计算中燃料以最大1400m/s沿轴向入射,爆轰波可约以2400m/s沿周向连续循环传播。计算的燃烧室内爆轰波循环频率约为2300Hz。     

氢氧爆轰波与界面的相互作用

用ＴＶＤ格式数值模拟了初压在０．１－１．０ＭＰａ，３Ｈ２＋Ｏ２的爆轰波与固壁的反射特性，以及初压在１．０ＭＰａ，３Ｈ２＋Ｏ２的爆轰波与初压在０．０２－０．３ＭＰａ范围内的卸爆气体的相互作用特性。     

基元化学反应一维爆轰波的数值模拟

应用基元化学反应模型对一维氢氧混合气体爆轰波进行数值模拟。采用一端高温高压点火起爆的方式,模拟爆轰波的传播。对一维爆轰波的结构、传播特征以及各个化学组分的变化趋势进行了研究。通过将模拟的结果同国内外的研究结果进行对比,发现了一些规律,为多维爆轰波的数值模拟和脉冲爆轰发动机的研究奠定一定的基础。     

斜爆轰波的波角和法向速度-曲率关系初探

为研究斜劈诱导斜爆轰波的波阵面弯曲效应,以期为斜爆轰的不稳定性及其演化规律提供新的见解,基于加权本质无振荡（WENO）格式空间离散和附加Runge-Kutta方法时间离散的求解器,针对不同的化学反应参数（释热量、放热速率和化学反应区参考长度）条件,开展斜爆轰波的数值计算研究。结果表明斜爆轰波沿波阵面的波角变化可分为3个区域：区域I,波角平滑减小;区域II,波角跃升后衰减;区域III,波角有规律振荡。波阵面法向速度-曲率关系在区域I呈现准垂直直线变化趋势,并伴随着爆轰波强度的不断衰减;在区域III则呈现出D形曲线,即由极曲线段、光滑水平变化段和拟线性变化段组成,为类胞格结构的周期性演变;区域II可认为是以上两个区域特征的耦合。不同的化学反应参数对斜爆轰波波阵面的弯曲效应影响存在较大差别。     

旋转爆轰的三维数值模拟

旋转爆轰利用爆轰波在燃烧室的供气端传播,而爆轰产物从另一端排出。为了揭示其宏观特性,采用带化学反应的三维Euler方程,在贴体坐标系中,利用带限制函数的波传播算法,对圆环形燃烧室内的旋转爆轰进行了数值研究,讨论了爆轰传播过程中的波系结构。数值结果表明,即使仅在燃烧室内壁面的部分区域充入可燃气,爆轰波也能够以旋转方式在该区域稳定传播。     

斜爆轰波并行数值模拟的化学加速算法性能研究

考虑基元反应条件下的爆轰波精细结构的数值模拟计算量巨大,发展高精度和高效率的计算方法十分必要.以Ma=7的H2/O2/N2预混气来流形成的斜爆轰波为数值模拟对象,研究了一种基于并行计算架构的用于加速化学反应计算的建表算法的计算性能,考察了不同建表策略,即TP(Transposed processing)策略和PLP(P...     

圆盘结构下旋转爆震波的二维数值研究

为揭示圆盘形燃烧室内旋转爆震波的传播特性,以2H_2+O_2+3.76N_2为反应混合物,开展该结构下的二维数值研究。实现了旋转爆震波的成功起爆并得到了两种稳定的流场结构;详细分析了两种流场的特点,以及不同直径处爆震波参数及出口马赫数的变化规律。结果表明,旋转爆震波在壁面形成的反射激波对流场中的温度、压力分布以及流线都产生影响;随着直径的不断减小,旋转爆震波压力、温度以及传播速度都不断减小;流场稳定后,出口马赫数随时间的变化趋势与压力趋势相符,呈现"双波峰"特征。喷注总压为0.4MPa时,喷注入口的阻塞比为21%,超声速流动占整个出口流动的52.17%,出口流动的平均马赫数为0.98;当喷注总压降为0.2MPa时,入口阻塞比为20%,超声速流动占21.99%,出口流动的平均马赫数为0.95。     

高温超声速流中爆震波特性数值研究

通过对高温超声速流中爆震波性质的研究,评估其在高超声速冲压发动机燃烧室的燃烧组织中应用的可行性,并通过数值模拟对分析结论进行了验证。提出了一种新的爆震波起爆机制,注入高温超声速流中的燃料混气可通过自身缓慢的释热使流动进入局域热壅塞状态,进而借助局域热壅塞产生的激波实现爆震波的起爆。计算结果表明在适宜的温度与马赫数条件下,注入高温超声速流中的燃料可通过新的起爆机制在超声速流中形成一道稳定的驻定爆震波。表明在高超声速冲压发动机燃烧室中存在着通过驻定爆震波实现火焰稳定的可能性。     

旋转爆轰波与涡轮平面叶栅相互作用数值模拟

由于旋转爆轰燃烧室具有自增压特性,可提高热力循环效率,因此将旋转爆轰燃烧室应用于燃气轮机可进一步提高系统的性能。基于非稳态雷诺时均Navier-Stokes方法,采用剪切应力输运k-ω湍流模型,建立旋转爆轰燃烧室与涡轮平面叶栅耦合计算模型,研究旋转爆轰燃烧室内的复杂波系与涡轮叶片的相互作用,分析涡轮叶栅对高频爆轰压力振荡的抑制作用。结果表明：旋转爆轰燃烧室内的燃气在涡轮叶栅内加速,并且在斜激波后的局部区域马赫数的增加更为明显。斜激波与涡轮静转子叶片的前缘、压力面、吸力面以及尾缘相互作用,由于旋转爆轰波不同的传播方向,使得斜激波与静子叶片呈相互垂直或平行,进而形成两种不同的波系结构。涡轮叶栅对高频压力振荡存在明显的抑制作用,涡轮叶栅上下游高频压力振荡幅值的衰减率达到80%以上。研究结果展示了旋转爆轰波作用下涡轮叶栅内复杂波系结构特征,并对基于爆轰燃烧推进技术的应用提供了一定的理论基础。     

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。     

爆震波多管点火特性实验

为了研究液体火箭发动机爆震波多管点火的同步性能、多次点火重复性能以及点火火炬性能,组建了氢氧爆震波多管点火实验系统。采用氢气和氧气为工质,常温供气压力0.10.5 M Pa（表压）,混合比1.87.2,进行了多次实验。实验结果表明:爆震波点火技术可以在与液体火箭发动机贮箱压力相适应的较低的供气压力下获得高温（>1300℃）高压（>1 M Pa）爆震产物,并且具备良好的点火重复性能和多管点火同步性能,多次点火重复性时间差和多管点火同步性时间差均小于0.3 m s。爆震波多管点火技术适合用于多燃烧室液体火箭发动机的同步点火。      

激光支持的空间微推进技术研究进展

对激光等离子体微推力器的相关研究进展进行了较为全面的介绍,总结了激光器与其它相关技术结合发展起来的极具潜力的空间微推进技术的研究进展,并指出激光支持的空间微推进技术研究所涉及的关键问题,包括星载激光器技术、先进的测试技术、高性能工质的选择与研制、激光光路设计以及空间微推力器一体化设计等方面。     

圆盘旋转爆震燃烧室中爆震波传播模态

为了研究圆盘结构下旋转爆震波传播特性,通过求解14组分19步CH4/O2反应的欧拉方程,数值模拟了不同燃料喷射温度、压力、燃烧室内外直径比值和燃烧室径向长度并分析了其对旋转爆震波传播模态的影响.研究表明,只有预混气喷射温度为500～900K,喷射压力为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....     

爆震波在开缝式弯管内的传播特性研究

为了解旋转爆震波在单侧部分受限情况下产生的波系结构及环缝内压力波动特点,以恰化学当量比的氢气/氧气混合物作为反应物,采用9组分19步的基元反应模型,忽略粘性、热传导和扩散等输运效应,对爆震波在开缝式弯管内的传播情况进行了数值模拟。研究结果表明,爆震波在开缝式弯管内传播时,爆震波及爆震区内的反射激波后的高压区都会在环缝内产生透射激波,但环缝内激波不单纯依赖弯管内高压区的侧向膨胀产生,且环缝内的一些反射激波产生的波后高压区还会反过来在爆震区内产生透射激波;环缝内第二道斜激波会被接触面分为两部分,在接触面前方的惰性气体一侧具有更大的倾斜角;环缝位于外侧时爆震波的倾斜程度比位于内侧时更大;当环缝处于外侧和内侧时,会由于激波相交、反射产生比第一道斜激波更大的压力峰值,内侧开缝时环缝内最大压力峰值约为第一道斜激波后的两倍,且内侧开缝时环缝内压力大于4倍填充压力的高压区域范围比外侧开缝时大36.4%。     

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。