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。     

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%。     

环形爆震波聚焦起爆

本文对三种带不同结构形式的环形预爆管的爆震发生器进行了数值模拟,来研究环形爆震波聚焦起爆现象及其气动特性。数值计算采用多组分理想气体详细的化学反应机理、二维轴对称非定常流动的Navier-Stokes方程来模拟化学动力学和流体动力学过程。研究发现用低的点火能量对环形预爆管中的燃料和氧化剂点火产生层流火焰,层流火焰在狭窄管壁的作用下完成爆燃向爆震转捩,形成环形爆震波,环形爆震波在聚焦腔经过反射、汇聚,最终引爆主爆震室中的可燃混合物;并对稳定爆震的距离和强度进行了对比研究。通过分析对环形爆震波衍射、反射、聚焦的气体动力学特性及复杂波系发展规律有了更深的认识,为进一步试验提供参考。     

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.      

燃料分布对旋转爆震波传播特性影响

为定量研究燃料分布对旋转爆震波传播特性的影响,针对两种环缝/小孔喷注方案开展了数值和实验研究。针对燃料(H2)和氧化剂(air)分开喷注的旋转爆震燃烧室模型,开展冷流掺混的三维数值模拟研究,给出了掺混均匀度评价参数,获得了两种喷注模型的反应物掺混均匀度沿轴向的变化规律。针对这两种喷注模型,开展旋转爆震波传播特性实验研究,分析了旋转爆震波的传播速度、工作稳定性、当量比边界等。研究结果表明:将燃料喷注小孔前移,可大幅提高燃烧室头部的掺混均匀度;随着掺混均匀度的提高,旋转爆震波的传播速度增加,传播稳定性明显提高,稳定工作的当量比下限从1.08拓宽至0.57。研究结论可为旋转爆震发动机喷注结构设计提供参考。      

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。     

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。     

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...     

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...     

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。     

导流角对激波聚焦起爆爆震的影响

为研究两级脉冲爆震发动机环形射流入口导流角对激波聚焦起爆爆震的影响,以H2/O2/N2混合气为介质,对不同导流角下激波聚焦起爆爆震的过程进行了数值模拟,并开展导流角对激波聚焦起爆爆震影响的冷态实验,共同揭示其影响规律。结果表明:导流角越大,射流碰撞压力和温度越高,碰撞时间提前,更容易起爆爆震,但激波聚焦时间在导流角大于11°时基本不变;导流角越大,凹面腔内气流振荡频率越大,凹面腔底部的动压幅值越小。      

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。      

激波聚焦诱导气液两相爆震燃烧的数值模拟

对以激波聚焦和增加障碍物方式诱导煤油-空气气液两相爆震燃烧的过程进行了数值模拟.采用欧拉-拉格朗日方法建立了脉冲爆震发动机(PDE)中气液两相流的喷射、雾化、掺混过程.研究发现环形爆震波在爆震管凹腔内经过反射、汇聚后能够引燃可燃混合物.而在障碍物处,激波的反射和再反射聚焦能够形成高温高压点(2700K,25MPa),产生局部爆炸,有助于形成稳定的脉冲爆震燃烧(波面速度为1900m/s,温度为2 950K),有效地缩短由缓燃向爆震转变(DDT)距离至0.45m.     

斜向环形激波聚焦诱导直接起爆的大涡模拟

基于大涡模拟(LES)数值方法,利用基元反应模型对斜向环形激波聚焦诱爆氢气-空气可燃混合气直接起爆进行了详细的数值模拟.研究结果表明:在进气马赫数为2.5的条件下,斜向环形激波聚焦产生的高能区可以在可燃气体中实现直接起爆形成爆震波,并且燃料能够高效完全反应;而垂直环形激波则没能诱导出爆震燃烧过程.可见,斜向环形入射比垂直环形入射更加有利于燃料混合气聚焦诱导起爆成爆震燃烧.      

双楔面诱导的斜爆轰波阵面的磁流体控制

基于高超声速飞行器爆轰推进发展需要,数值研究了由双楔面诱导的斜爆轰波类型及其磁流体(MHD)控制的可行性,探讨了后楔倾角变化对双楔斜爆轰流场与MHD控制的影响.结果表明:对于前、后楔倾角分别为15°与20°的双楔面诱导的斜爆轰,Lorentz力可以将不同来流马赫数条件下的稳定斜爆轰波阵面恢复到设计位置,并可以使不稳定斜爆轰波趋于稳定,但是,无法将不稳定斜爆轰波恢复到设计位置.而当后楔倾角稍微增加时,若爆轰流场稳定,同样可对斜爆轰波阵面进行有效控制.但当后楔倾角大于25°时,稳定斜爆轰波流场失稳,此时MHD无法控制流场稳定性.但若增加气体反应速率,虽然斜爆轰波不稳定,MHD控制却可使其趋于稳定,但无法将爆轰波阵面恢复到设计位置.      

两级脉冲爆震发动机激波聚焦起爆数值模拟

通过数值模拟手段,针对两级脉冲爆震发动机（PDE）激波聚焦点火起爆及周期性脉冲爆震进行了详细计算.结果表明:激波汇聚会在发动机内产生两个高温高压区域,且后者压力温度远高于前者,为点火关键.针对起爆失败的工况,提高温度、压力、马赫数3个条件中的任何一个都能成功起爆.通过全场周期性脉冲计算得知,保证成功点火起爆的前提下仍需要调整合适的参数才能维持稳定的周期性脉冲,发动机在入口温度600K,马赫数为2.0,压力为150kPa工况时能够产生稳定的周期性脉冲爆震,频率在300Hz附近.      

连续旋转爆轰波在无内柱圆筒内的数值模拟

在对同轴圆管内的连续旋转爆轰的已有研究成果进行总结分析后,提出无内柱的连续旋转爆轰的燃烧室模型.利用结合了一步化学反应模型的圆柱坐标系下的Euler方程三维数值模拟了在这种燃烧室内爆轰波的传播行为.数值结果表明:爆轰波由初始起爆的单向传播最终自动收敛稳定到若干个典型爆轰波头的流场结构.在当前进气条件下,流量可以达到450kg/m2s,其基于反应物的比冲约为1900s.与同以H₂/Air作为燃料时同轴连续旋转爆轰发动机(RDE)燃烧室模型的2000s相比,基于反应物的比冲十分接近,但由于内部有可燃气以爆燃形式燃烧等原因,有5%的损失.      

环形爆震波聚焦起爆数值模拟

对三种带不同结构形式的环形预爆管的爆震发生器进行了数值模拟,来研究环形爆震波聚焦起爆现象及其气动特性.数值计算采用多组分理想气体详细的化学反应机理、二维轴对称非定常流动的NavierStokes方程来模拟化学动力学和流体动力学过程.研究发现用低的点火能量对环形预爆管中的燃料和氧化剂点火产生层流火焰,层流火焰在狭窄管壁的...     

真实爆震载荷作用下爆震室动态响应分析与壁厚优化

针对一内径为60mm的爆震室,建立其有限元模型并通过加载实验获取真实爆震载荷,计算分析了多循环工作条件下不同因素对爆震室等效应力的影响,并以此为基础对等壁厚爆震室进行了壁厚优化.研究发现:爆震室后段的等效应力峰值较前段平均高出20MPa;温度因素对爆震室等效应变影响显著,30Hz时最大等效应变较不考虑温度场情况增加51.2%;与材料、温度因素相比,爆震室壁厚对等效应力影响较大,室温条件下,壁厚为0.95mm时,最大等效应力达200MPa,已经基本达到材料的屈服应力极限(205MPa);通过更换模型材料进行计算对比发现,选择具有较高屈服应力极限、弹性模量和较低密度的材料会降低爆震室工作时的等效应力.      

连续旋转爆震波的瞬时传播特性

开展氢气/空气连续旋转爆震试验,并计算连续旋转爆震波的瞬时传播频率与传播速度,统计其相对标准偏差,并以此作为爆震波瞬时传播过程稳定性的评价标准,研究推进剂流量对连续旋转爆震波瞬时传播特性的影响.结果表明:在当量比为1.0时,空气流量由321g/s增加至505g/s,连续旋转爆震波的平均传播频率由4.60kHz升高至5.33kHz,平均传播速度由1445m/s增加为1674m/s;连续旋转爆震波瞬时传播频率的相对标准偏差则由4.00%减小至1.69%,这表明连续旋转爆震波在较大的推进剂流量下的传播过程更加稳定.