微小尺度多循环爆震实验研究

为了探索爆震燃烧应用于微型推进器的可行性,进行了微小尺度多循环爆震实验的研究。实验管道采用截面为6mm×6mm,长度为500mm的方型爆震室,氧化剂和燃料分别为40%的富氧空气和乙烯,工作频率范围为1~30Hz。实验中采用高速摄影仪拍摄反应波的传播过程,用压力传感器测量反应波的压力变化。结果表明,工作频率在1~20Hz内时可以成功实现多循环爆震,爆震波离开爆震室的速度约为2500m/s,频率越高,缓燃向爆震转变(Deflagration to Detonation Transition,简称DDT)的距离越长;工作频率为10Hz和20Hz时,同一频率下,不同爆震循环的DDT开始位置不同,并且DDT距离也存在差异;工作频率为25Hz和30Hz时,由于混合气填充量的减小,不能形成爆震。     

脉冲爆震发动机多循环工作过程仿真及性能分析

针对脉冲爆震发动机零维性能模型的局限性,建立了火箭式脉冲爆震发动机(PDRE)多循环工作过程的一维非稳态仿真性能模型,仿真模型能够捕获PDRE的非定常的工作特征,可研究各种调节参数对PDRE性能的影响,通过模拟计算直管PDRE和带收敛扩张喷管PDRE在多循环工作过程中的压力分布及其性能参数,可以看到,由于循环过程之间的耦合性,使得多循环脉冲爆震发动机(PDE)的内部流场与单循环PDE有很大的不同;同时,同样进气条件下,PDRE要比常规火箭发动机有优势,对其工作频率和隔离气体使用量是有要求的。     

丙烷爆震特性的试验

为了解丙烷的爆震特性,在60 mm×60 mm×2 000 mm的方爆震管内,分别用空气、纯氧以及它们的混合物作为氧化剂进行了单次爆震性能的试验研究.利用安装在同一截面上的压力传感器与离子探针同时测得缓燃-爆燃转捩(DDT)位置处爆震管内的压力、火焰传播速度和方向.获得了丙烷的起爆性能和DDT特性、压力波与火焰的传播规律.试验结果表明:①在本试验管道内利用空气作为氧化剂无法形成爆震波,而丙烷和纯氧混合物的DDT距离则很短;②在化学恰当比条件下DDT的距离最短,但随着氮气含量的增加DDT距离会增长;③DDT过程中压力波和火焰具有相近的变化趋势.      

缓燃向爆震转捩过程中火焰和压力波发展规律试验

为了解缓燃向爆震转捩(DDT)过程,在60mm×60mm,长2m的方形爆震管内,利用高速摄影和高频压力传感器试验研究了4种余气系数下氢气/空气混合气燃烧时的火焰和压力波演变规律.结果表明:缓燃向爆震转捩经历了缓燃、爆燃、在壁面产生热点、形成爆震中心和稳定爆震5个阶段,缓燃、爆燃和爆震的火焰传播速度分别为0～15m/s,500～1000m/s和1800～2000m/s.压力传感器获得的时序图和对应峰值压力的变化规律也验证了上述过程:在压力传感器测试区间(850～1200mm)内,压力峰值从1.5MPa先跃升到7MPa上下,然后下降稳定在2～3MPa.据压力时序图算得的爆震波传播速度与高速摄影获得的火焰传播速度一致.      

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。     

脉冲爆震发动机爆震室起爆研究

根据脉冲爆震发动机（PDE）的概念、工作原理,分析了爆震燃烧的特点和起爆方法,研究了可燃气体在空气中存在的爆炸极限,分析了应用爆炸极限理论引发爆震的可行性。设计了航空煤油和空气作为起爆能源的爆震室,为了提高爆震成功率,爆震室油气混合气按照爆炸极限混合。定量计算了化学恰当比的航空煤油完全燃烧放出的热量以及爆震室最终温度和压力,分析了反应混合物浓度和起爆的关系。     

部分充填下脉冲爆震发动机的热力循环性能分析

在完全充填脉冲爆震发动机的Ficket-Jacobs热力循环的基础上,提出了用于分析部分充填下脉冲爆震发动机的热力循环性能的分析方法.结果表明,部分充填的工作方式会降低发动机总的热力循环效率,当爆震燃烧用于功率输出时,这种工作形式是应该避免的;但另一方面,由于部分充填的工作方式使爆震燃烧释放的能量在燃烧产物和隔离气体间重新分配,这种工作形式可以提高脉冲爆震发动机的总效率.      

煤油/空气小尺寸脉冲爆震发动机实验研究

 为探索微小尺寸脉冲爆震发动机(SPDE)推进系统可行性,进行了气动阀设计,改善燃油雾化、掺混、点火性能和强化燃烧等SPDE关键技术的研究。设计了一台内径为29 mm,总长度为1 175 mm的气动阀式SPDE样机,采用航空煤油为燃料和地面冲压进气,并在该样机上进行了低点火能量的多循环实验研究。实验结果表明：SPDE能够在20~40 Hz频率下多循环地稳定工作,平均峰值压力均高于145 MPa;随着频率的增加,爆震室内平均压力峰值和爆震波平均速度都有一定的降低趋势;研究结果为有限空间和时间内的燃油雾化、蒸发和掺混进一步研究提供了依据,对研制工程应用的SPDE具有重要意义。     

脉冲爆震发动机自吸气实现方式

根据脉冲爆震发动机工作循环过程中的压力变化特点,对脉冲爆震发动机自吸气的实现方式进行了探索研究,设计了几种不同的结构型式以改善尾部吸气质量,并进行了数值模拟。结果显示:单一等截面直爆震管虽然可以在爆震后管内负压作用下从尾部自吸气,但是吸入的基本全是尾气,无法用于再次爆震起爆;进、排气口分开有利于改善自吸气质量,进气口离排气口越远,尾气影响越小,吸气质量越好;进、排气口间最好有一定压差,否则会出现两端同时进气,形成吸气震荡,并在爆震管中部夹有燃气无法排出;利用设计的气动阀可以实现从爆震管前端自吸气,吸气结束后整个爆震管内充满新鲜空气,可以用于再次爆震起爆。     

引射器轴向位置对PDE的性能影响实验

根据脉冲爆震发动机(PDE)工作特点为其设计了6组不同结构的圆柱型引射器,并针对各种结构引射器,采用力传感器法对不同轴向位置处引射器的增推性能进行了实验研究,实验采用汽油为燃料,空气为氧化剂。实验结果发现,轴向位置对引射器的增推性能有非常明显的影响,当引射器入口正好位于脉冲爆震发动机出口处(0点)或位于下游1/2倍脉冲爆震发动机直径处时,系统会出现一个至少高于35%的推力增益点,但是当引射器入口从该点继续远离发动机出口位置时,推力将会急剧地下降;当引射器从0点逐渐向上游移动时,引射器的推力增益呈先下降后上升再下降的趋势,最高推力增益可达80.5%。