暂冲式激波聚焦及起爆爆震的实验与数值模拟研究

开展了三维暂冲式激波聚焦及起爆爆震的冷态与热态实验,并采用WENO算法和块结构网格自适应加密算法进行了高精度数值模拟.在环形喷口宽度d=5.4mm,驱动压力pres=0.55MPa,初始压力pinit=0.091MPa的条件下,第1次激波聚焦所致的峰值压力达2.17MPa,是初始压力的23.8倍.以当量比1.0的C2 H2/Air混合气为工质,在驱动压力为1.51MPa,环形喷口宽度d=11.4mm的工况下成功起爆了爆震波.测得火焰传播速度与激波传播速度之间的耦合偏差为2.7%,爆震波速为1587.3m/s.数值模拟清晰地捕捉到了激波聚焦及起爆爆震过程中的流场演化细节.发现环形激波沿三维凹面腔径向入射,首先在对称轴上聚心碰撞,形成沿对称轴对称分布的马赫干,并作为入射激波向凹面腔底部推进.同时,原入射激波也向凹面腔底部运动.因此,环形激波沿三维凹面腔径向入射聚焦的完成是以原入射激波和新形成的马赫干在凹面腔底部碰撞为标志的.     

多爆震室串联热射流起爆实验研究

为消除现有脉冲爆震发动机对外部脉冲起爆装置的依赖并提高脉冲爆震燃烧室工作频率,提出了一种多个爆震室封闭串联的多管燃烧室方案,通过管间的射流传递实现爆震室内的快速短距离起爆.实验结果表明,多个爆震室间可以实现逐级射流起爆,并且可以实现快速起爆,起爆所需要的时间约为1.0~1.2ms,起爆距离约为500mm,远远小于火花塞直接点火时的结果.弱火焰射流可以通过逐级增强的方式最终在下游某个爆震单元内形成爆震波.单个爆震室内射流进入和射出的时间间隔可以达到1.2~1.5ms,大约需要8个爆震单元才可能实现爆震波的封闭串联传播.     

封闭空间中不同压力下火焰过孔板加速机理研究

爆震或超级爆震发生时总会伴随着湍流火焰-冲击波相互作用,对其开展研究是揭示爆震或超级爆震机理的关键,研究火焰加速产生压力波的过程是火焰-压力波相互作用研究的基础性前提。基于自主设计的定容燃烧弹和Converge三维数值模拟方法,对封闭空间中火焰过孔板加速机理及影响因素开展了研究,讨论了初始压力对火焰过孔板加速的影响。依据火焰传播形态与速度,将火焰过孔板加速过程分为3个阶段:层流火焰阶段、射流火焰阶段和湍流火焰阶段。通过分析火焰过孔板过程中的流场情况,发现在火焰未到达孔板前,孔板附近存在强射流,火焰受强射流的驱动而急剧加速;但当火焰穿过孔板之后,火焰锋面前的流场速度沿着远离火焰的方向而逐渐下降,说明开始由火焰驱动未燃气体运动。比较不同压力下的火焰过孔板过程,发现湍流火焰传播速度和缸压振荡均随着初始压力的提高而升高。     

气动阀门结构煤油/空气脉冲爆震发动机试验

以煤油为燃料、空气为氧化剂,采用气动阀门结构进气,组合结构障碍物强化燃烧和双半V型障碍物加强激波反射,在内径100 mm,长为1 340 mm的爆震管内进行大量的爆震试验,实现工作频率58.8 Hz协调工作.研究爆震室内主要部件在不同工作阶段的功能,并分析主要部件的工作机理,分析了煤油/空气两相可燃混气形成过程,研究煤油/空气脉冲爆震发动机爆震波特性,获得煤油/空气脉冲爆震发动机协调工作关键技术.研究结果为煤油/空气脉冲爆震发动机原理样机设计提供了理论基础.     

多管脉冲爆震发动机共用喷管特性的数值模拟

基于有限速率基元化学反应模型和二维迎风型TVD格式的数值模拟方法,研究了3种不同形式的共用喷管设计对多管PDE非定常流动的影响,化学反应模型采用H2/O2/N2的11组分23步反应.数值研究的结果表明:共用喷管对多管PDE中流场产生了重要影响;单管点火的情况下,爆震波传播过程中由于喷管内表面作用产生的反射激波回传有利于旁通爆震管的起爆,喷管可以改变点火爆震管封闭端的压力变化历程,收敛扩张喷管的多管PDE封闭端的压力高于收敛喷管和扩张喷管;共用喷管使得各个爆震管的起爆和运转过程中存在相互影响,设计合理的共用喷管对优化多管PDE的性能和保证PDE协调工作具有重要作用.     

旋转爆震发动机轴向脉冲爆震模态的实验研究

实验研究了环形燃烧室中的轴向脉冲爆震现象,结合高频动态压力测量以及尾部高速摄影,对轴向脉冲爆震模态的工作过程进行了分析。实验结果表明,对于氢气与空气混合物,当出口阻塞比大于或等于0.6且出口最小截面积处的质量通量大于200 kg/（m2·s）时,燃烧室出现轴向传播的爆震波;爆震波在每个周期内将经历解耦与重新起爆的过程,出口截面反射的激波在燃烧室头部发展成为爆震波,并伴随剧烈发光现象。爆震波在周期内的平均传播速度与燃烧产物声速相当,采用线性声学理论可以对该模态下的工作频率进行较好的预测。     

脉冲爆震发动机孔板型气动阀工作特性实验研究

采用流动显示和压力测量两种手段对应用于脉冲爆震发动机的三种不同阻塞比孔板型气动阀进行了试验研究.研究结果表明,在不存在燃烧的流场里,孔板型气动阀具有较强的阻隔压力波动的能力;然而对于采用自适应供油的脉冲爆震发动机,发动机点火后,由于压差,燃油液雾必然向上游流动,孔板型气动阀将处于可燃混合物中,较强的燃烧火焰穿越孔板时,孔板将担当起射流点火的作用,从而加速火焰的传播,最终破坏孔板阻隔压力回传的作用;增大孔板阻塞比可以减少燃油液雾的反流量,这有助于爆震室对进气系统的影响.     

基于特征线理论的旋转爆震流场结构特征研究

特征线理论及其计算方法是气体动力学的经典理论与方法,应用于旋转爆震流场分析具有简单高效的特点。将坐标系建立在爆震波上,对旋转爆震流场进行简化,采用特征线理论并结合流场计算单元过程,建立旋转爆震流场计算模型。研究了当量比和喷注参数对氢气/空气、甲烷/空气以及辛烷/空气3种不同预混气的旋转爆震流场结构特征的影响。结果表明:爆震波高度和倾斜角度受混气当量比和喷注总温影响明显;燃料由小分子氢燃料变为大分子碳氢燃料时,爆震波高度和倾斜角度逐渐减小;混气当量比和喷注总温主要通过影响爆震波传播速度、高度和倾斜角度而影响爆震波后宏观流场特征趋势。     

煤油／空气脉冲爆震发动机气动阀研究

为了掌握煤油/空气PDE气动阀的设计方法,选择合理结构的气动阀满足较高工作频率煤油/空气PDE要求,设计加工了3种不同结构型式的气动阀;研究了煤油/空气PDE的气动阀设计方法、气动阀的工作机理.以煤油为燃料、空气为氧化剂,在安装不同结构气动阀的煤油/空气PDE的爆震管内进行爆震试验,根据获得爆震波压力特性判断气动阀性能优劣.研究结果表明:在充填速度为25～35 m/s条件下,以旋流为主的气动阀PDE爆震波压力较高;在充填速度为60～90 m/s条件下,以直流为主加部分旋流的气动阀PDE爆震波压力较高.研究结果对煤油/空气PDE原理样机的研制具有指导意义.     

强湍流下点火及火焰传播机理研究进展

可燃预混气点火过程研究是发动机燃烧领域最重要的课题之一。当前电火花强制点火广泛应用于各类发动机燃烧室中,其点火过程具有很强的瞬变性,从电火花产生到火焰完全形成的整个过程中,多种复杂因素联合影响点火火核的产生和发展。目前发动机高压、强湍流工况下的点火和火焰传播机理认识还不完善,亟需研究的科学问题是湍流和化学反应相互作用对点火和火焰传播的影响机制及其建模,包括湍流对点火的促进/抑制机制,湍流对火焰传播和火焰整体发展的影响规律,燃烧释热和火焰面不稳定性对湍流脉动速度(即火焰产生的湍流)的影响机制和对火焰传播速度的增强机制及由此导致的层流燃烧自加速转捩为湍流燃烧的理论,燃烧过程对标量通量输运(即反向或压力驱动输运)的影响机制。本文对强湍流下点火及火焰传播理论、实验和数值模拟方面的研究进展进行综述。     

气动阀对脉冲爆震发动机爆震性能的影响研究

开展常温常压进气条件下气动阀式两相脉冲爆震发动机的研究具有重要的理论意义和工程应用价值。本文描述了针对气动阀式两相爆震发动机的进气装置-气动阀所作的理论和试验研究工作。通过不同气动阀参数下的冷态流场和燃烧特性试验研究,设计出了包含钝体和盖子的组合式气动阀,并获得了不同钝体堵塞比和不同盖子尺寸时燃烧波压力和火焰传播速度的变化关系。通过对气动阀的结构设计研究和试验分析得出结论,随着盖子内径变大,对产生爆震是不利的。     

氢氧爆轰直接起始的射流点火方法研究

为探讨氢氧爆轰驱动激波风洞中的高氢混合比氢氧混合气直接爆轰的点火方法，对射流点火管的点火能力进行实验研究发现，点火管长度是决定射流点火能力的关键因素，射流点火能力随点火管长度的增加而增强。点火管与爆轰管之间无隔膜，结构简单，操作方便。同时观察了点火管中增添孔板对射流点火能力的影响，发现障碍物对射流点火能力具有减弱作用。     

圆弧激波缓聚点火及后续燃烧传播

采用激波管实验和准一维数值模拟的方法,对预混可燃气体中圆弧汇聚激波的自点火现象及后续燃烧波的传播特性进行研究。其中圆弧汇聚激波由平面运动激波通过精确设计的弧形过渡管段转变得到。研究表明:收缩段中圆弧汇聚激波波后的非均匀梯度环境由激波在平直段、弧形过渡段和扇形收缩段中传播所分别诱导的3个梯度区共同构成。随着圆弧汇聚激波的不断增强,圆弧激波后某处首先形成一个无激波的温和反应区。该反应区逆流锋面的初期运动速度远超Chapman-Jouguet（CJ）爆轰波速,而反应产物区流动则呈现出一定弱爆轰波特征。进一步分析发现,该反应锋面本质上是一种"自发反应波"（spontaneous reaction wave）,而非常规意义上的动力学波,其速度与汇聚激波波后气流点火时间梯度的倒数吻合。而后,反应区的扩张速度很快降至CJ爆轰波速以下,伴随反应锋面附近激波的产生以及激波-火焰复合结构的形成。激波-火焰结构最终加速演变为反向传播的爆轰波。在一定的条件下,由于入射激波转变过程和汇聚所构造的特定点火环境,自发反应波可再次赶超爆轰波,成为新的燃烧波前;而当自发反应波速度再次低于CJ爆轰波速时,它将再次转变为爆轰波;在此过程中,原先的爆轰波阵面蜕变为反应产物中传播的激波。     

基于发动机非正常燃烧的湍流火焰-冲击波相互作用的实验研究

爆震、超级爆震等非正常燃烧现象是限制小型强化点燃式发动机热效率进一步提升的突出瓶颈。爆震或超级爆震发生时总会伴随着湍流火焰-冲击波的相互作用,因此对湍流火焰-冲击波的相互作用的研究是揭示其机理的关键。本文通过在可视化定容燃烧弹内安装孔板实现火焰过孔板加速并产生冲击波,并通过改变初始热力学条件和孔板的参数,来实现不同强度的湍流火焰和冲击波及其相互作用过程。基于该燃烧装置开展了火焰加速、冲击波的形成以及湍流火焰-冲击波相互作用导致不同燃烧模式的研究。根据燃烧室末端火焰传播和压力振荡情况,总结出5种燃烧模式,其中发生自燃的燃烧模式的压力振荡幅值均超过4.5MPa,是未发生自燃时的4~40倍。因此,湍流火焰-冲击波相互作用对燃烧压力振荡具有重要影响。     

金属板料的激光冲击变形分析及其实验研究

介绍了激光冲击变形机理和冲击波产生原因,并建立了激光冲击下的板料变形模型,且推导了板料变形量计算公式。根据爆轰波和爆炸气体动力学理论,建立了激光冲击成形中激光-能量转换体-靶材系统爆轰波压力的估算式,并根据冲击波压力估算式估算所需激光脉冲能量,从而探讨了板料变形与激光能量、冲击波压力之间的关系,并进行实验研究。实验结果表明,板料厚度对变形量的影响与变形理论模型的分析基本相同,其变形量随厚度的增加而呈指数曲线减小,其轮廓形状也由小圆锥形逐渐向小球冠状变化。     

封闭空间中斜爆震驻定稳定性增强方法及其试验验证

采用斜爆震燃烧的高超声速冲压发动机是具有潜力的高马赫数吸气式推进技术方案.克服斜爆震的驻定稳定性问题对实现该技术方案至关重要.本文提出了一种封闭空间中的斜爆震驻定稳定性增强方法,并基于此方法开展了马赫数8.0近真实条件下的直连式试验验证.采用阵列喷管制造超声速预混气,通过关闭近壁单元中的燃料供应,在壁面附近制造了不可燃...     

Focus Reflective Shock Wave Interaction with Flame

An experiment on deformation of flame under the effect of focusing shock wave reflection is performed with the help of multiple-spark camera to understand the flame instability of the deformation process. Methane and oxygen are mixed stoichiometrically to be used in the experiment. Based on Navier-Strokes equations, two-dimen- sional axisymmetric elementary reactions are numerically simulated. And the simulation results are solved by opti- cal calculation. Shaded pictures by simulation fit well with experimental photos. Focusing reflecton shock waves can affect the flame, which accelerates the deformation of flame and renders violent burning in high-energy flam- mable gases behind waves. Therefore anticlockwise whirlpool appears. It clusters around the external surface of flame and has a tendency to develop toward the right. Finally, the whirlpool focuses on the right side of the flame, which involves the fresh unfired gases into the whirlpool circle, and consequently the head of mushroom cloud is formed. Meanwhile, when shock wave passes through the flame, the intensity of the shock waves on the axis is strengthened.     

气云爆轰

气云爆轰实验研究在一根专门设计的管中进行，通过对压力波和火焰阵面的测试，研究激波的成长与发展过程，气云爆轰的爆速及其影响因素以及激波后的点火诱导时间。理论研究考虑了液滴在高温、高压和高速气流中的变形、剥离和破碎，液滴的点火和局部爆炸以及气云爆轰的Ｃ－Ｊ判据。据此进行的计算进一步揭示了气云爆轰的松弛结构。爆速的计算值与实验值基本相符。     

发动机三喷管流场和红外辐射特征数值研究

对火箭发动机三喷管喷流场和红外辐射特性进行了数值模拟,得到了三股燃气射流在射流起始段互相作用而产生的复杂流场特征。当射流喷出后,由于压力高于背压,气流发生膨胀,射流边界向内收缩,同时会产生压缩波以抑制因压力降低而产生过膨胀现象的出现;压缩波扩展并增强为激波,随下游距离增加,膨胀波及压缩波区的尺寸和波强不断削弱。一旦射流发展至下游26倍助推级发动机排气喷管直径处,三股射流将合并成为一股射流而继续发展。三喷管排气喷流的红外辐射强度空间分布与单喷管喷流的红外辐射空间分布基本一致,但三喷管的排气喷流和内腔的总体红外辐射在水平面和铅垂面上的空间分布存在显著的差异。