吸气式无阀脉冲爆震发动机试验研究

为了获得大气层内的高速巡航能力,需要发展包括吸气式脉冲爆震发动机在内的多种新概念动力装置.设计制造了完整的吸气式无阀脉冲爆震模型机,包括亚声速进气道,混合室,点火室,爆震室和喷管.采用起爆性较差的汽油和空气为推进剂,以低于50mJ的点火能量研究了模型机(除去喷管)的多循环单级起爆和爆燃向爆震转变过程(DDT),并尝试减小DDT轴向距离的方法.设计一种环缝结构来加强汽油、空气的掺混,和减小推力壁端敞口对模型机起爆的不利影响.试验表明模型机易于起爆, DDT距离在1.3m(距离点火器)左右,采用高能点火装置之后,DDT距离减为1.09m.模型机与一端封闭一端敞开的脉冲爆震火箭发动机相比,由于两端敞口,各测压点压力时域变化更加复杂,有两次上升和下降过程.     

煤油/空气吸气式脉冲爆震发动机试验研究

在内径50mm的吸气式无阀脉冲爆震发动机模型机上,以煤油为燃料,空气为氧化剂,成功进行了两相脉冲爆震试验.研究了煤油/空气推进剂的点火、起爆过程与特点.发现燃油粒度对PDE的点火.起爆影响至关重要.粒度较小时无论煤油是否加温均可成功生成爆震;而提高燃油温度有利于煤油的快速点火和加速火焰传播速度,但在燃油粒度较大时没有生成爆震.与汽油/空气推进剂相比,煤油/空气PDE起爆难度较大,且点火-起爆时间显著增加;随着频率增加,两者的点火-起爆时间差值逐渐减小.     

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.     

进气系统对无阀脉冲爆震发动机性能影响试验研究

模拟亚声速自由来流,以汽油和空气为推进剂,对吸气式PDE模型机进行了地面多循环爆震试验,研究了6种进气系统下PDE模型机的多循环爆震性能和推进性能.试验结果显示,不论采用何种进气系统,均能以低于50mJ的点火能量实现模型机的多循环单级起爆,且PDE平均推力均随着工作频率的增加而增加;来流喷口和进气道进口面积较小时增加速率较快.随着环缝堵塞比的增加,PDE的平均推力有所降低.     

由火焰聚心和激波聚焦诱导的爆震波研究

通过对几种不同结构形式的爆震发生器进行数值模拟,研究了激波聚焦和火焰聚心现象、气动特性及其机理.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Navier-Stokes方程来模拟流体动力学和化学动力学过程.数值计算表明用较低的点火能量对射流火焰燃烧器中可燃混合物点火,层流火焰在狭窄管壁作用下加速,射流火焰在轴线上汇聚过程有利于激波的加强,强激波加速火焰,在多重激波与火焰反复作用下,激波和火焰面之间出现热点,热点迅速放大并形成压力很高的过驱爆震波,而后衰减为稳定的爆震波,不同的激波聚焦腔爆震波的形成过程不同.通过对数值计算的结果进行分析,得到了起爆距离和稳定爆震距离,为进一步试验提供参考.     

脉冲爆震发动机喷管实验研究

在直管脉冲爆震发动机上安装不同类型的喷管,利用推力传感器测量了不同频率下发动机的瞬态推力和平均推力.结果表明:台架对瞬态推力的测量结果具有明显影响,推力峰值明显落后于推力壁压力峰值,而且随频率的变化推力峰值的大小发生明显的变化;发动机平均推力随频率的增加呈非线性递增,与没有喷管的发动机平均推力相比,收敛引射组合喷管增推比最高,其次是收敛喷管,扩张喷管在较低的工作频率下能够增推,但是在较高的频率下扩张喷管会产生较明显的负推力.收敛喷管在高频工作时增推比有所下降.引射喷管位于发动机出口截面下游-0.3~1倍发动机出口直径的范围内具有较高的增推效果.     

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.     

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.     

脉冲爆震发动机模型机平均推力特性计算与实验研究

针对如何确定脉冲爆震发动机平均推力的问题,介绍了体积比冲估算法、推力壁压力曲线积分法和弹簧-质量-阻尼系统法的计算与测量原理。建立了PDE模型机推力测试台架系统。同时采用推力壁压力曲线积分法和弹簧-质量-阻尼系统法对一PDE模型机在不同频率多循环工况下的平均推力特性进行实验研究。对比分析了体积比冲估算法、推力壁压力曲线积分法和弹簧-质量-阻尼系统法所获得的PDE模型机平均推力计算值与实验值,发现：PDE模型机的平均推力随工作频率的升高基本上呈线性增加;同一工作频率下,采用体积比冲估算法得到的平均推力最大,推力壁压力曲线积分法次之,弹簧-质量-阻尼系统法最小;PDE模型机平均推力应处于推力壁压力曲线积分法与弹簧-质量-阻尼系统法所测推力之间。     

多循环脉冲爆震发动机爆震室内部压力分布实验研究

利用基于多循环吸气式脉冲爆震发动机的实验获得了沿爆震室轴向9个位置的实时压力数据,经过对数据进行时域和频域的分析处理后,利用MATLAB软件的GRIDDATA函数拟合出了6个工作频率下某个循环时爆震室内压力随轴向位置及时间变化的三维图形.通过对拟合后的数据从不同角度进行分析,发现采用爆燃向爆震转捩(DDT)方式起爆会在爆震波形成前生成一个局部爆轰区、爆震波形成后平均速度维持在1000m/s左右,且峰值压力升高、随机性增大.该实验的研究结果为爆震室的结构强度研究提供了依据.     

螺旋型喷嘴液滴分布特性及液滴直径经验公式的拟合

螺旋型喷嘴是压力式喷嘴的一种,它能提供细密的水雾,在工程上具有广泛的用途.笔者分析了几种常用的表征液滴尺寸的参数,用因次分析的方法建立了螺旋型喷嘴液滴直径的准则关系式,通过实验研究了TF6喷嘴的雾化液滴几种常用的直径随喷雾压力的变化规律,用最小二乘法回归了TF型喷嘴雾化粒子的几种直径(D0.1、D0.5、D0.9、D32)的经验公式.     

引射器增强混合喷嘴性能实验研究

在气动中心一套引射系统实验装置上采用两种增强混合喷嘴(后缘开缝喷嘴及花瓣状喷嘴)进行了等面积多喷嘴引射器性能实验研究.其目的是探索喷嘴增强混合措施在较高增压比引射器系统中的应用性能.实验方法为在同一引射器、相同引射参数下更换不同的引射喷嘴进行引射性能参数测试,并与常规圆锥喷嘴试验结果作对比分析.实验结果表明:增强混合喷嘴都比常规圆锥喷嘴具有更好的引射综合性能,混合室出口截面总压分布也更均匀;后缘开六缝喷嘴的综合引射性能最好.这些结果说明在增压比较高的引射器系统中采用多喷嘴引射增混措施的基础上,喷嘴增强混合措施仍然具有良好的应用前景.实验结果也表明喷嘴参数与引射参数间的优化匹配对引射性能也有影响.     

高度补偿喷管冷态模拟与推力测量试验技术研究

推力特性是发动机的重要特性,也是评价发动机喷管性能优劣的重要指标.而发动机的推力特性会随高度的变化而产生一定的变化,同时,喷管型面和结构形式,也是影响其推力特性的重要因素.目前,国内外都在研究和优化发动机喷管的结构形式和型面,改善和提高喷管的性能.为了研究分析双钟形喷管和塞式喷管的高度补偿特性,需要进行地面模拟试验.为满足在FD-20A风洞中进行高度补偿喷管试验的需要,开展了高度补偿冷态模拟试验技术研究,对在冷态模拟条件下的喷流模拟技术、喷管推力测量试验技术和流动显示技术等进行了研究,满足了试验的需求.     

一种小长高比组合发动机喷管气动设计及性能分析

在强几何约束条件下,对一种Ma=0~6.0的小长高比组合发动机喷管气动设计开展了初步研究。采用特征线法设计程序开展了喷管型线设计,并对设计点马赫数选取、三维侧向膨胀角、喷管双通道相对位置对喷管气动性能的影响开展了研究,给出了兼顾空间有效利用与喷管气动性能的喷管气动设计方案。数值模拟结果显示:降低设计点马赫数可以改善组合发动机喷管在低马赫数飞行时的性能,避免喷管出现严重过膨胀;喷管保持出口高度不变时,随着侧向膨胀角的増大,其高马赫数气动性能较优,而低马赫数气动性能下降严重。涡轮/冲压发动机喷管出口相对位置对并联布局组合发动机喷管转级点气动性能影响较大,且存在一个最佳位置布局,使得转级点达到最优的推力性能。获得的组合发动机喷管在设计马赫数下的推力系数约为0.920,模态转换过程流场平稳过渡,推力系数不低于0.918。     

同轴送粉喷嘴保护气体流场研究

为解决飞机结构损伤激光在线修复过程中同轴送粉喷嘴气体保护效果不佳的问题,利用粒子图像测速(Particle image velocimetry,PIV)和Fluent软件对喷嘴保护气体流场进行了研究。将喷嘴气流的同轴射流和同轴冲击射流的数值计算结果和实验测量结果进行了比较,分析了喷嘴气流速度变化对流场稳定性的影响。结果表明:喷嘴中心、内环和外环气流流速由内向外递减时可获得稳定的流场;喷嘴中心、内环、外环喷出的气流速度接近一致时,流场比较稳定;喷嘴中心气流速度小于内环和外环的气流速度时,工件表面出现漩涡,破坏了流场的稳定性。     

Model for Asymmetry of Shock/Boundary Layer Interactions in Nozzle Flows

The reason for the asymmetry phenomenon of shock/boundary layer interactions(SBLI)in a completely symmetric nozzle with symmetric flow conditions is still an open question.A model for the asymmetry of nozzle flows was proposed based on the properties of fluid entrainment in the mixing layer and momentum conservation.The asymmetry model is deduced based on the nozzle flow with restricted shock separation,and is still applicable for free shock separation.Flow deflection angle at nozzle exit is deduced from this model.Steady numerical simulations are conducted to model the asymmetry of the SBLIs in a planar convergent-divergent nozzle tested by previous researchers.The obtained values of deflection angle based on the numerical results of forced symmetric nozzle flows can judge the asymmetry of flows in a nozzle at some operations.It shows that the entrainment of shear layer on the separation induced by SBLTs is one of the reasons for the asymmetry in the confined SBLIs.     

结冰风洞喷嘴雾化特性研究

结冰风洞试验段中的云雾通常由安装在稳定段的喷雾系统产生。喷雾系统雾化喷嘴的性能直接关系到结冰风洞试验段平均水滴直径(MVD)、液态水含量以及云雾均匀性等关键技术指标。在喷嘴试验台上分别使用PDI(相位多普勒干涉仪)及微流量计对小粒径雾化喷嘴的平均水滴直径(MVD)及水流量进行测量,得到了结冰风洞空气辅助雾化喷嘴的流量-粒径性能包线,同时,对喷嘴的供水、供气压力及其配比和水路节流管尺寸对喷嘴雾化性能的影响进行了研究。研究结果表明:喷嘴水、气压力差的大小和范围决定了喷嘴的粒径及调节比的范围。压差越大,粒径和水流量越大,压力差范围越大,调节比越大。减小喷嘴水路节流管的直径,可以增加喷嘴工作的水、气压力差范围,扩展喷嘴的流量-粒径包络线。最终的测试结果表明,结冰风洞所使用喷嘴 MVD 范围为7~70μm,水流量调节比为11.5,其参数调节范围优于国外同类风洞所使用雾化喷嘴。     

通过矩形喷嘴的非稳定液体射流

绍了关于用矩形喷嘴进行的瞬态液体射流的实验研究结果。流动显示演示了在喷流过程中液体射流的种种不稳定现象。笔者推广了Ryhming的理论模型，计算了喷嘴出口的射流速度，并与实验结果进行了比较。     

圆转方非轴对称喷管无粘流动的多层网格法求解

本文利用多层网格法求解三维无粘亚音和跨音速圆转方非轴对称喷管的流动,基本格式是把Ni[1]的二维有限体积积分格式推广到三维流场。边界条件采用文[2]中的“预测一修正”处理方法。为了进一步提高格式稳定性,在计算流动变量的一阶时间变化量时,采用单元体积平均法而不是文[1]中的算术平均法。引入当地时间步及多层网格方法,以加快格式的收敛速度。文中还对多层网格构造形式及其收敛效果作了讨论。通过对两种喷管模型流动的计算和与试验数据的对比,验证了该算法的精度。     

无人机回收气囊缓冲特性研究

用缓冲气囊的缓冲特性对无人机伞降气囊回收方式进行了研究,并以单个气囊为对象,分析了影响缓冲性能的主要因素,认为质量体积比ｍ ／ｖｉ 和排气口面积 Ａｎ 是决定缓冲效果的主要因素。在理论分析的基础上给出了质量体积比ｍ ／ｖｉ 的最优值,同时建立了排气口分析模型,推导出计算排气口面积的公式,实践证明其结果是正确的,对工程应用具有特别重要的意义。