Operation of a Rotary-valved Pulse Detonation Rocket Engine Utilizing Liquid-kerosene and Oxygen

The pulse detonation rocket engine (PDRE) requires periodic supply of oxidizer, fuel and purge gas. A rotary-valve assembly is fabricated to control the periodic supply in this research. Oxygen and liquid aviation kerosene are used as oxidizer and fuel respectively. An ordinary automobile spark plug, with ignition energy as low as 50 mJ, is used to initiate combustion. Steady operation of the PDRE is achieved with operating frequency ranging from 1 Hz to 10 Hz. Experimentally measured pressure is lower than theoretical value by 13% at 1 Hz and 37% at 10 Hz, and there also exists a velocity deficit at different operating frequencies. Both of these two phenomena are believed mainly due to droplet size which depends on atomization and vaporiza-tion of liquid fuel.     

旋转阀脉冲爆震发动机电控共轨式燃油系统

为提高旋转阀脉冲爆震发动机(RVPDE)燃油系统性能,增强电磁阀的高频适应性,应用汽车行业领先的共轨技术,设计满足RVPDE性能要求的共轨式燃油系统(Common Rail System of PDE,CRP),并对系统控制性能、流量特性和动态响应特性进行实验研究。研究结果表明:CRP喷射时间可控制到微秒级,所有爆震管每次喷射之间的差别可控制在5%以内,电磁阀开启、关闭的动态响应时间均在1ms以内。     

吸气式脉冲爆震发动机壁温试验

为了探索各频率下管壁温度随时间的变化趋势及爆震管外壁面的温度分布规律,对爆震室内径68mm,长2 000mm,以汽油为燃料、空气为氧化剂的吸气式脉冲爆震发动机进行试验,用热成像仪对稳定工作在10Hz,20Hz,40Hz下的管壁温度进行了监测。结果表明:同一频率下随时间的增加壁面温度增加速度减小;热平衡时壁面温度随频率的增加而增长,10Hz,20Hz,40Hz热平衡时外壁面最高温度分别在726℃,1011.5℃,1159.5℃以上;热平衡前管壁温度的增长速度随频率的增加而增加,管壁温度的增长速度跟频率约成正比;爆震室上沿着压缩波叠加至形成爆震的方向,温度在外壁面上递增分布,在爆震形成区温度最高,从爆震形成区到发动机出口处,温度在外壁面上逐渐降低;各频率下最高温度区位置基本不变,距点火位置1 350mm左右;同一轴向位置上的外壁面温度随频率的增加而增加,温度的增长幅度随频率的增加而减小。     

粉末爆轰发动机的粉末燃料供应特性研究

为研究粉末爆轰发动机的粉末燃料供应特性,通过搭建一套流化仓内气固流动状态可视化的实验系统,采用称重传感器和静态压力传感器对粉末流化质量和流化仓内部压力进行实时监测,并采用电子天平精确测量粉末流化质量,对不同预压压力下粉末流化的时间均匀性,不同活塞速度下粉末流化的空间均匀性、粉末流化的流化能力特性展开分析。结果表明：粉末爆轰发动机的最佳工作时间为流化仓的压力稳定阶段和压力保持阶段;粉末在0.4-2MPa的预压压力下,其流化的时间均匀性几乎不变,且明显优于无预压下的粉末流化;粉末流化在空间上具有一定的均匀性,但其随着活塞速度的增大而逐渐减弱;粉末爆轰发动机燃料供应系统的气固比具有一个临界值,当实际气固比处于临界值以下时,会造成粉末来不及被流化气带走从而在流化仓中进行堆积最终堵塞流化仓;而当实际气固比高于临界值时,粉末流化能力随着活塞速度的增大而增大。     

分隔板形式对多爆震管间相互作用的影响分析

为研究共用喷管多爆震管间爆震流场的相互作用,以氢气和氧气混合物为例,对采用不同形式分隔板的共用喷管多爆震管间的相互作用过程进行了数值模拟,并对其性能进行了比较与分析。计算结果表明,采用斜分隔板能有效地减小多爆震管间的相互影响,并且加长分隔板长度可以进一步减小多爆震管间的相互影响,同时还可以通过控制分隔板的长度来控制折射激波到达上爆震管封闭端的时间。     

燃烧多相流的介尺度动理学建模研究进展

基于求解Navier-Stokes方程组的传统计算流体力学已经在诸多领域取得了巨大的成功,但在航空、航天、微流控等领域也遇到了新的瓶颈与挑战。其原因分为2个方面：①物理建模层面的问题;②离散格式带来的数值精度和稳定性问题。微尺度燃烧等一系列燃烧新概念的研究表明,特征更加丰富但以前知之甚少的热力学非平衡行为蕴含着大量待开发的物理功能。物理模型合理和具备相应功能是数值仿真研究的前提;物理建模层面的问题无法通过数值精度的提高来解决。本文从物理建模与复杂物理场分析角度,介绍了非平衡燃烧系统离散玻尔兹曼建模方法（DBM）的研究进展。DBM是非平衡统计物理学粗粒化建模理论在流体力学领域的具体应用之一,是相空间描述方法在离散玻尔兹曼方程形式下的进一步发展。它选取一个视角,研究系统的一组动理学性质,因而要求描述这组性质的动理学矩在模型简化中保值;以该组动理学矩的独立分量为基,构建相空间,使用该相空间和其子空间来描述系统的非平衡行为特征;研究视角和建模精度随着研究推进而调整。借助DBM可以研究反应过程中不同自由度内能之间的不平衡和相互转换等Navier-Stokes模型无法模拟的动理学过程。在内爆和外爆过程中,几何汇聚与发散效应等效于一个"外场力",在球心处系统始终处于热力学平衡态;在冯·纽曼压强峰处,系统不是偏离平衡最远,而是在平衡态附近;在冯·纽曼峰后反应区以外,Chapmann-Jouguet理论值、Zeldovich-Neumann-Doering （ZND）理论值和DBM结果相互验证;在反应区内DBM结果与ZND结果一致;在冯·纽曼压强峰前的压缩阶段,DBM模拟结果在物理上更合理。在冲击压缩过程中,相对于其他自由度,压缩波所在自由度上的内能先增加,因而这一自由度上的内能总是朝着正向偏离其平衡态值,而横向自由度上的内能总是朝着逆向偏离其平衡态值。在二流体模型视角下,反应物和产物朝着相反的方向偏离热力学平衡态。     

燃烧室宽度对煤油旋转爆震波传播模态的影响

为研究基于煤油的旋转爆震波的传播特性,以煤油和含氧量40%的富氧空气作为燃料和氧化剂,对基于燃烧室外径均为100mm的无内柱燃烧室和燃烧室宽度分别为32,26,20mm的环形燃烧室开展了对比实验。不同氧化剂流量下,共观察到四种燃烧波模态,分别为爆燃模态、准稳定爆震模态、双波对撞模态和稳定旋转爆震模态。无内柱燃烧室中,氧化剂流量较低时无法维持旋转爆震波的稳定传播,出现爆燃模态和准稳定爆震模态;当氧化剂流量超过154g/s时,可以得到稳定旋转爆震模态,旋转爆震波峰值压力超过0.7MPa,平均传播速度为1750m/s。对于环形燃烧室,旋转爆震波的传播速度仅为1245~1465m/s,明显低于无内柱燃烧室中的传播速度。随环形燃烧室宽度减小,对应旋转爆震波模态的工况范围更窄,传播速度更慢。在本研究对应的工况范围内,增大燃烧室宽度,更有利于基于煤油的旋转爆震波的稳定传播。     

回流型脉冲爆震燃烧室工作特性分析 “爆震专刊”

为了获得回流型脉冲爆震燃烧室在不同工作频率下的工作特性,通过试验和数值相结合的方法对该爆震室工作频率10~30Hz时的出口燃气总压、总温、流量变化规律以及该爆震室的增压能力进行了测试与计算分析。结果表明：出口燃气总压、总温具有极高的峰值和较高的平台区,其工作频率10~30Hz时,压力平台值为0.36~0.91MPa,时均温度为710~1270K。此外,该爆震室排气流量十分集中,以10Hz为例,在一个爆震循环的16%时间,排出了整个循环60.5%的燃气。为此对出口燃气总压进行质量加权平均,发现该爆震室的增压比随工作频率的增加而降低,在2.37~2.05之间。     

准爆轰波传播机理的探索研究

本文分析了准爆轰波的传播过程与物理机制,提出了一个全新的准爆轰波物理模型,开展了理论分析与数值模拟研究.在该物理模型中考虑了超声速流动化学反应放热造成的动量损失,计算结果表明准爆轰波发展过程是热壅塞的.计算与实验结果的定性吻合表明了本文提出的理论模型是正确的,获得的计算结果是合理的,对于准爆轰波物理机理的讨论是有重要意义的.