脉冲爆震燃烧效率的探索性试验研究

为了对脉冲爆震燃烧过程的燃烧效率有一个初步了解,在分析脉冲爆震发动机工作原理的基础上,设计了一套带有压力可调单向阀结构的取样系统,并进行了试验验证.试验针对爆震频率为5Hz、当量比为1的汽油和空气混气,测试了爆震波充分发展前后不同位置处爆震燃烧过程的燃烧效率,结果表明可以利用设计的取样系统进行脉冲爆震发动机燃烧效率的测量,试验还发现在脉冲爆震室后爆震发展比较充分的位置,测取的燃烧效率比较高,最高可达99.6%.     

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。     

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.     

汽油/空气两相脉冲爆震发动机触发爆震的研究

有效的触发爆震波是脉冲爆震发动机正常工作的关键所在。为了在多循环两相脉冲爆震发动机的缓燃到爆震转变过程中,有效的控制激波反射,成功的触发爆震。通过在爆震室内合理的排放障碍物来促进激波与火焰的相互作用,组织激波反射,适时的触发爆震,从而有效地缩短促发爆震的距离,并最终获得充分发展的爆震波。试验发现爆震管内同样的障碍物在不同的位置起到的作用不同。在直径58 mm,长度1275 mm的汽油/空气PDE爆震管内成功触发频率为50 Hz的爆震。      

预爆管式脉冲爆震原型机试验研究

为了实现多循环吸气式脉冲爆震发动机（PDE）在较短距离内缓燃向爆震的转捩,降低主爆管通过障碍物触发爆震的内部阻力损失,设计了预爆管和主爆管以同种混气（汽油/空气）为工作介质的两相PDE原型机,试验研究了爆震燃烧过程。研究表明：当预爆管出口扩张角度为45°时,可以实现爆震波在主爆管内向衍射面上、下游传播;设计的预爆管式PDE原型机可以实现最高频率为66.7 Hz的稳定间歇工作。     

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。     

两级脉冲爆震发动机的理想热力循环及性能分析

为研究两级脉冲爆震发动机的性能,以Brayton循环和理想爆震循环为基础,建立和分析了两级脉冲爆震发动机的理想热力循环,利用CEA软件计算了富油燃烧产物及其组分随当量比的变化。计算分析表明,两级脉冲爆震发动机理想循环的热效率和单位推力介于Brayton循环和理想爆震循环之间,且随第一级放热比增大而减小;为得到最多的氢气和一氧化碳,第一级富油燃烧当量比应在2.6～2.8;由于燃烧反应不能完全进行和离解反应的存在,使得第一级富油燃烧的放热量减少,循环热效率增加。     

径向进气多管脉冲爆震发动机设计

为了缩短脉冲爆震发动机工作过程中混气充填时间,采用旋转筒控制爆震室径向进气,设计了结构更为合理的多爆震室PDE试验原型机。该原型机可以在较短时间内完成爆震室的混气充填,为热态爆震燃烧过程留出更充裕的时间,对提高PDE工作频率和整机性能有促进作用。     

混气活性对爆震波在突扩段传播特性的影响研究

为研究爆震波经过突扩段的传播特性,实验采用低活性混气C2H2+2.5O2+70%Ar和高活性混气C2H2+2.5O2,测量了爆震波在扩张比为1.34的圆管间传播的速度变化,并运用化学反应动力学分析爆震波动力学参数。结果表明:爆震波在小管出口的速度至多降至0.6倍的Chapman-Jouguet爆震波速。高活性混气触发的爆震波的成功传播是由于在大管产生局部爆炸,随后形成了过驱爆震波。相应地,低活性混气触发的爆震波不会形成过驱爆震波,且波速的波动范围较小。当预混气体压力小于爆震波从小管向大管成功传播的最低压力时,低活性混气触发的爆震波更快地衰减为爆燃波。通过化学反应动力学分析可知,高活性混气的爆震波稳定性参数较高,更容易形成局部爆炸。在最低压力处两种混气的爆震波诱导区长度接近0.8mm,管径与胞格宽度之比接近于1,因此爆震波在圆管中传播的准则可以用于预估爆震波在扩张比为1.34的圆管内能否成功传播。     

爆震燃烧的特性研究

研究了爆震管中爆震燃烧的压力特性及爆燃到爆震转捩 (DDT)特性。在乙炔与氧气的预混气中 ,通过高频响压力传感器及自行研制的离子探针 ,测量了不同工况下爆震燃烧的压力与火焰传播速度的变化历程 ,获得了爆震波峰值压力、波后压力及 DDT距离随混气初始压力 (2×10 4 Pa～ 1× 10 5Pa)、混气当量比 (0 .3～ 1.0 )及混气浓度 (6 0 %～ 10 0 % )的变化规律。试验结果表明 :降低预混气的压力、混气当量比及浓度会使爆震波的峰值压力、波后压力不同程度的下降 ,DDT距离增大 ,其中 DDT距离对混气浓度最敏感     

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。      

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.      

边界层抽吸对超燃冲压发动机流场特性的影响研究

为了解边界层抽吸对超燃冲压发动机流场的影响,采用风洞试验和数值计算对隔离段激波串特性以及燃烧室燃烧特性进行了研究。结果表明,在发动机入口马赫数2.0,总温950K,总压0.82MPa的来流条件下,当量比为0.18先锋氢气与不同当量比煤油共同燃烧呈不稳定状态,激波串在隔离段内前后振荡传播。当煤油当量比为0.29时,激波串振荡前缘远离抽吸位置,边界层抽吸对发动机流场基本没有影响。随着煤油当量比逐渐增大,激波串前缘位置到达抽吸区附近,边界层抽吸开始产生影响,改变了隔离段内的激波串动态演化过程、形态结构以及位置分布,同时有效提高了隔离段抗反压特性,使得煤油最大当量比可以由0.38增大至0.42。此外,边界层抽吸对发动机内的亚燃/超燃区域分布也会产生影响。     

当量油气比对内燃波转子燃烧特性的影响

为了研究当量油气比对内燃波转子燃烧特性的影响规律,采用控制变量法,保持内燃波转子转速、混气填充速度不变,通过调节燃料喷射体积流量改变混气的当量油气比。在不同的当量油气比下开展内燃波转子燃烧特性试验。试验结果表明:当量油气比对于内燃波转子燃烧过程影响很大,随着当量油气比的增加,内燃波转子获得的燃烧压力增益增大,在内燃波转子转速为900r/min、混气填充速度为6.741m/s、当量油气比为1.442时,6个工作循环内平均燃烧压力增益达到246.29％,火焰平均传播速度随当量油气比呈类似正态分布,在化学恰当比附近达到最大10.8m/s。当量油气比小于1时,两组工况下火焰锋面呈向下倾斜状传播,当量油气比大于1时,两组工况下火焰锋面呈向上倾斜状传播。      

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。      

两相脉冲爆震发动机模型试验研究

为了探索气－液两相脉冲爆震发动机模型内特征参数对产生爆震波的影响规律，系统地测试了以汽油为燃料、以空气为氧化剂的气－液两相脉冲爆震发动机模型在不同点火频率及不同余气系数下爆震波的峰值压力以及平均爆震波速，并对其变化进行了分析。通过分析实验结果发现，当余气系数σ增大时，爆震波发动机性能下降，在爆震室长度一定时，点火频率等于脉冲爆震频率。     

导流角和导流环深度对激波聚焦起爆爆震的影响

为了研究两级脉冲爆震发动机中的导流角和导流环深度对连续超声速射流对撞诱导激波聚焦起爆爆震的影响,以汽油/空气混合气为介质开展了激波聚焦起爆爆震的实验,分析了导流角、导流环深度对起爆爆震的影响规律。基于本文实验条件的结果表明:保持导流环深度为20mm,导流角越大,强震荡燃烧的平均峰值压力越大,越有利于起爆爆震;保持导流角为11°,导流环深度越大,强震荡燃烧的平均峰值压力越大,弱震荡燃烧的综合性能越好,越有利于起爆爆震。     

供油时间改变对脉冲爆震发动机工作特性的影响

为了提高脉冲爆震发动机(Pulse Detonation Engine,简称PDE)工作的协调性。试验获得汽油/空气混气点火延迟时间约为3.6 ms,缓燃向爆震转变(Deflagration-to-Detonation transition,简称DDT)过程所需时间约3.8 ms。对PDE一个工作周期进行合理的时间分配,采用电磁阀控制停止供油时间,动态压力传感器测量爆震波压力,研究PDE在一定的工作周期内的工作性能,发现对于小管径的,两相混气PDE可以不用隔离段;在亚音燃烧时段继续供油,PDE仍可以正常工作;在PDE膨胀时间段供油会使爆震波的压力峰值下降。研究的结果对提高PDE的工作频率及更好的组织两相爆震燃烧有一定的参考价值。      

脉冲爆震外涵加力分排涡扇发动机性能分析

为了研究外涵带脉冲爆震燃烧室分排涡扇发动机的性能,基于部件法建立了外涵装有脉冲爆震燃烧室（PDC）的分排涡 扇发动机性能模型,分析了PDC工作参数、外涵循环参数和飞行工况对整机性能的影响。结果表明：PDC频率提高,PDC增压比和 加力温度提高,发动机单位推力增大,耗油率升高;PDC当量比增大,PDC增压比和加力温度先提高后降低,发动机单位推力先增 大后减小,耗油率一直升高;脉冲爆震外涵加力由于只利用外涵部分气流组织燃烧,耗油率远低于传统加力的,当PDC频率超过 41 Hz时,脉冲爆震外涵加力发动机的单位推力大于传统加力涡扇发动机的;涵道比增大,参与爆震燃烧气流增多,发动机单位推 力增大,耗油率升高。风扇压比提高,发动机单位推力先增大后减小,耗油率一直降低;在飞行高度一定时,飞行马赫数提高,发动 机单位推力减小,耗油率升高;在飞行马赫数一定时,飞行高度增加,发动机单位推力先增大后略微减小,耗油率先降低后略微升 高;在不同飞行工况下,脉冲爆震外涵加力发动机的耗油率远低于传统加力涡扇发动机的。     

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。