旋转爆震波发动机二维数值模拟

采用一种改进的化学非平衡流解耦方法对Euler反应流方程解耦处理,对流项采用五阶WENO格式离散,化学反应源项的刚性采用简化的隐式方法处理,时间步进采用二阶精度的Runge-Kutta方法,对H2/Air预混气旋转爆震发动机内流场进行了二维数值模拟。模拟结果给出了不同发动机尺寸条件下的详细起爆过程,结果表明当发动机尺寸小于临界直径时无法成功起爆;详细分析了流场结构和爆震波形状,旋转爆震波的传播速度与理论预测值吻合;性能分析结果表明在喷注总压低于燃烧室平均压力时仍可实现推进剂喷注,没装尾喷管的情况下发动机比冲达到176.5s。     

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。     

二维爆震波数值模拟

针对爆震发动机的多维效应,利用CFD计算软件对单管脉冲爆震发动机进行了二维的数值模拟。以氢气和氧气混合物为例,仿真了爆震波在管内的传播过程以及传出管外后的流场情况。模拟所得的爆震波参数与文献中的计算结果和实验值基本一致,验证了模拟的正确性。爆震波传出爆震管后退化成一道激波,对该激波的流动情况进行了分析。     

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.      

斜爆震波起爆特性及其波系结构研究

对斜爆震波起爆特性及其波系结构的研究进展进行综合评述,分析其研究现状与存在的不足,总结了斜爆震波起爆和驻定特性研究进展,重点回顾了斜爆震波起爆准则和驻定条件,对斜爆震波的诱导区结构和波面胞格结构研究进行了总结,对斜劈构型对斜爆震波的影响研究现状进行了概述.综述表明,斜爆震波的起爆、驻定和波系结构还需持续开展研究,特别需...     

气相爆震波衍射现象的数值研究

对不同条件下气相爆震波在突扩管道和带扩散段管道中的衍射过程进行了数值研究.结果表明:起爆管的直径和临界爆震管直径对爆震波能否成功衍射传入主爆管起到决定性的作用.壁面反射激波与爆震波相互作用在邻近壁面处产生高温、高压区域,有助于减少爆震的诱导时间以及横波间距.扩散段扩散角越小时,反射激波强度越大.高强度的反射激波会将爆震波分为3段,在分界点处产生高温、高压点,对爆震波的衍射传播起到支持作用.      

爆震波点火技术基本特性实验

为了研究爆震波点火技术的基本特性, 组建了氢氧爆震波点火实验系统, 氢氧压力 0 1~0 5MPa(表压), 混合比 1 6~9 4, 常温条件下, 得到了爆震波在管路中的传播特性以及爆震波点火的单管重复性能实验数据。结果表明: 爆震波点火技术可以在较低的供气压力下获得高温 ( >1300℃) 高压 ( >1MPa) 爆震产物, 爆震波点火传播速度可达 3000m/s, 并且具备良好的重复性能, 多次点火重复性时间误差小于 0 3ms。     

障碍物对激波触发爆震波影响的数值研究

为了研究不同几何形状障碍物对激波触发爆震波的影响,对氢气/空气混合物在不同马赫数的激波作用下的爆震波触发过程进行了数值模拟与分析。研究发现,对于不同几何结构的障碍物,触发爆震波的机理不同,热点的产生可以是激波与激波的相互作用,也可以是激波与壁面的相互作用。对于堵塞比较小的障碍物,合理的结构设计可以使成功触发爆震波的激波马赫数进一步减小。     

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。     

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。     

基于预爆震管的旋转爆震波建立和传播过程研究

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,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...     

两点射流间隔时间对爆震波起爆特性影响的数值研究

为快速、短距起爆爆震波,基于H2/Air 8组分19步反应简化机理,采用两点射流点火的方法数值研究了不同射流管高度差引起的射流间隔时间对H2/Air混合物起爆特性的影响规律.采用与CEA计算结果及实验结果对比的方法验证了数值模拟的可靠性.结果表明,射流间隔时间对两点射流起爆有明显影响.一定射流间隔时间内可以成功起爆,但...     

通过壁温确定脉冲爆震火箭发动机中爆震波形成的位置

常用来作为促进爆震形成的Shchelkin螺旋由于流阻较大,对发动机的比冲会造成一定的损失,因此缩短缓燃向爆震转变(Deflagration to Detonation Transition,DDT)增强装置长度,对脉冲爆震火箭发动机性能的提高有着重要的意义。通过分析DDT增强段的壁温来判断爆震波的形成位置,并通过压力信号来验证。实验结果表明,DDT增强段的壁温沿轴向分布为先增加,然后保持不变,轴向温度会有一个明显的转折点;经过实验验证,壁温的转折点即为爆震波的形成位置。     

煤油总包反应机理对超声速燃烧的影响

为考察不同总包反应机理对超声速燃烧数值模拟的影响,以煤油燃料超燃冲压发动机支板加凹腔燃烧室为研究对象,分别采用单步和两步总包反应机理对其燃烧过程进行了三维数值模拟研究.对比分析表明,采用的单步反应机理计算结果与实验值呈现明显差异;而两步反应机理的壁面静压计算结果与实验数据吻合良好,验证了计算过程的有效性.该单步反应机理在前支板处局部反应释热量过大过快,致使超燃室内出现热壅塞现象;而两步反应机理的反应和释热规律更为合理,更逼近真实燃烧过程.     

基于离子电流的爆震波压力非线性模型

为了实现爆震波压力的软测量,依据碳氢焰离子形成原理及爆震波高速传播的特点,在分析爆震波离子形成机理的基础上,根据爆震波离子电流与压力信号的相似性,提出基于离子电流的爆震波压力非线性模型建模思路。采用RBF网络建立爆震波非线性模型,并给出网络结构、样本选取原则和预处理方法。开展了单次脉冲爆震试验,利用试验数据建立该压力非线性模型,并通过试验数据和模型输出的对比校核模型的有效性和准确性。     

中心锥对旋转爆轰发动机内外流场影响的三维数值模拟研究

为探究中心锥对旋转爆轰发动机(Rotating Detonation Engine,简称RDE)内外流场结构与推进性能的影响,本文设计了90°、60°、45°、30°、20°、14°锥角与无中心锥7种构型,对燃烧室内径为78mm、外径为88mm、长度为100mm的RDE进行三维数值模拟,推导了适用于带中心锥RDE的推力公式,获得了各构型下详尽的流场参数。结果表明：在本文构型下中心锥对内流场影响很小,各构型的内流场参数与结构基本一致;中心锥对外流场的爆轰产物有轴向加速与径向吸附作用,能够调控尾部区域的流场特性;中心锥对由压差项产生的推力具有显著的提升效果,最佳推力性能出现在20°中心锥构型中,RDE总推力增益达22.8%。研究结果揭示了中心锥对RDE推力影响的作用机理,阐明了锥角对推进性能的影响规律,对带锥形构型的尾喷管设计工作提供了参考。     

点火位置对圆盘结构下旋转爆震波起爆过程的影响

为分析点火位置改变对旋转爆震波(RDW)起爆过程的影响,在圆盘形旋转爆震发动机上进行点火实验,研究了不同点火位置、质量流率条件下旋转爆震波的建立过程及工作特性.结果表明,不同点火位置下,RDW的起爆过程皆经历点火器放电、爆燃转爆震以及稳定旋转爆震3个阶段.点火位置靠近喷注面附近时,RDW起爆过程中的无序缓燃模式缩短,起...     

超声速预混气的热射流起爆过程数值模拟

采用带有化学反应的Euler方程,对超声速预混气的热射流起爆过程进行了研究。在来流速度大于CJ(Chapman-Jouguet)爆震速度的情况下,射流所导致的弓形激波在爆震波起爆过程中起到了重要作用,而爆震波不稳定性导致横波的产生是决定能否完全起爆的关键因素。射流角度的改变能够影响到起爆的过程与驻定性质。随着射流角度的逐渐减小,会出现起爆后驻定、起爆后不能驻定以及起爆失败三种结果。     

鼓包诱导斜爆震波的数值研究

为实现低马赫数条件下斜爆震波的快速起爆,以及提高斜爆震波对来流扰动的抗干扰能力,提出了通过在诱导区内设置一个小鼓包来控制斜爆震波起爆的方案,并通过数值求解二维多组分欧拉方程研究了楔面和鼓包诱导的斜爆震波。结果表明：通过在诱导区内设置鼓包可实现斜爆震波的提前起爆;且在较宽马赫数范围内,其起爆位置相对固定。鼓包诱导的斜爆震波主要有强耦合和弱耦合两种起爆形式,起爆形式与鼓包和斜激波的相对位置有关。此外,来流扰动会使楔面诱导的斜爆震波剧烈振荡,不利于斜爆震发动机的稳定工作;鼓包的存在对来流扰动所引发的斜爆震波振荡具有一定的抑制作用。     

旋转爆震发动机喷管非定常流动特性的数值模拟研究

为分析旋转爆震喷管内非定常流动特性,基于特征线方法和旋转爆震燃烧室出口时均参数设计了一种塞式喷管模型,通过改变塞锥式喷管的进出口压比π(π=15,30,45),分析了喷管内非定常流场结构与喷管工作性能之间的相互关系,并探究了喷管进出口压比变化对喷管工作性能的影响.研究结果表明:旋转爆震燃烧室下游斜激波进入喷管后,在喷管...