Spectral analysis and self-adjusting mechanism for oscillation phenomenon in hydrogen-oxygen continuously rotating detonation engine

The continuously rotating detonation engine(CRDE)is a new concept of engines for aircraft and spacecraft.Quasi-stable continuously rotating detonation(CRD)can be observed in an annular combustion chamber,but the sustaining,stabilizing and adjusting mechanisms are not yet clear.To learn more deeply into the CRDE,experimental studies have been carried out to investigate hydrogen-oxygen CRDE.Pressure histories are obtained during each shot,which show that stable CRD waves are generated in the combustor,when feeding pressures are higher than 0.5 MPa for fuel and oxidizer,respectively.Each shot can keep running as long as fresh gas feeding maintains.Close-up of the pressure history shows the repeatability of pressure peaks and indicates the detonation velocity in hydrogen–oxygen CRD,which proves the success of forming a stable CRD in the annular chamber.Spectrum of the pressure history matches the close-up analysis and confirms the CRD.It also shows multi-wave phenomenon and affirms the fact that in this case a single detonation wave is rotating in the annulus.Moreover,oscillation phenomenon is found in pressure peaks and a self-adjusting mechanism is proposed to explain the phenomenon.     

斜爆轰波的波角和法向速度-曲率关系初探

为研究斜劈诱导斜爆轰波的波阵面弯曲效应，以期为斜爆轰的不稳定性及其演化规律提供新的见解，基于加权本质无振荡（WENO）格式空间离散和附加Runge-Kutta方法时间离散的求解器，针对不同的化学反应参数（释热量、放热速率和化学反应区参考长度）条件，开展斜爆轰波的数值计算研究。结果表明斜爆轰波沿波阵面的波角变化可分为3个区域：区域I，波角平滑减小；区域II，波角跃升后衰减；区域III，波角有规律振荡。波阵面法向速度-曲率关系在区域I呈现准垂直直线变化趋势，并伴随着爆轰波强度的不断衰减；在区域III则呈现出"D"形曲线，即由极曲线段、光滑水平变化段和拟线性变化段组成，为类胞格结构的周期性演变；区域II可认为是以上两个区域特征的耦合。不同的化学反应参数对斜爆轰波波阵面的弯曲效应影响存在较大差别。     

考虑恒滞差流动的爆震波特性参数计算

在两相脉冲爆震的研究过程中,以恒滞差流动假设为基础,考虑气液两相性来计算爆震波的特性参数。计算结果与实验数据对比表明:考虑气液两相性计算得到的爆震波特性参数更能真实反映两相脉冲爆震的流动情况。     

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。     

用于爆震引燃的激波聚焦无反应流场数值模拟

通过对用于脉冲爆震引燃的内楔表面激波聚焦冷态流场的数值模拟，分析了不同角度内楔表面在激波聚焦时流场结构的不同特点。数值计算的结果表明：对于大内楔角的情况，激波进入内楔角之后产生规则反射，温度的大幅度升高发生在激波于内楔顶点反射之后；对于小内楔角的情况，激波进入内楔角之后产生马赫反射，温度的升高在入射激波到达内楔顶点之前就已经发生，而在入射激波于内楔顶点反射之后得到进一步的提升。同时，还对不同角度内楔的反射激波后气流温度进行了比较。     

脉冲爆震发动机的应用研究

与目前和不久的将来的推进系统相比,脉冲爆震发动机(PDE)具有明显的性能优势,并且有可能降低飞行器制造和执行任务的成本,因此在近年备受关注。本文主要讲述一些与PDE实际应用有关的问题:工作频率要求、理论频率换算规律、单燃烧室和多燃烧室对比、PDE实际工程应用以及影响PDE性能的诸多因素。     

氢氧气体爆轰光谱的研究

在以前用摄谱仪研究激液管内氢氧气体爆轰光谱的基础上，用光学多道分析仪（ＯＭＡ光学系统）收集了不同初始压强条件下３００～８００ｎｍ光谱范围氢氧气体爆轰的低分辨和高分辨光谱．     

环缝宽度对两相旋转爆轰波压力与频率特性影响实验研究

为了研究空气喷注环缝宽度对两相旋转爆轰波压力与频率特性的影响,通过改变环缝宽度与当量比开展了大量实验研究。旋转爆轰发动机环形燃烧室外径、内径以及长度分别为204mm、166mm和155mm。汽油和高温空气采用高压雾化喷嘴与环缝对撞喷注的方式进行混合,以此提高推进剂的掺混效果与活性,发动机采用预爆轰管作为点火装置。实验通过燃烧室内测得的高频动态压力信号,对两相旋转爆轰波的传播稳定性、压力特性以及频率特性进行了详细分析。实验结果表明:在不同环缝宽度下均实现了高总温空气与汽油的两相旋转爆轰。当环缝宽度为3mm和4mm,旋转爆轰波平均峰值压力与传播频率均随着当量比增大而增大;增加环缝宽度至6mm,爆轰波传播稳定性变差,平均峰值压力与传播频率随当量比先增大后减小。当环缝宽度为4mm,获得的旋转爆轰波平均峰值压力最高,压力脉动强度最小,爆轰波传播稳定性最强。在一定工况范围内,增加当量比可有效降低爆轰波峰值压力脉动强度。此外,随着空气环缝宽度的增加,爆轰波传播频率整体降低。当环缝宽度为3mm,当量比为1.19时,爆轰波以单波模态在环形燃烧室内连续旋转传播,平均传播速度约为1176.6m/s,爆轰波传播速度存在严重亏损。     

燃料分布对旋转爆震波传播特性影响

为定量研究燃料分布对旋转爆震波传播特性的影响,针对两种环缝/小孔喷注方案开展了数值和实验研究。针对燃料(H2)和氧化剂(air)分开喷注的旋转爆震燃烧室模型,开展冷流掺混的三维数值模拟研究,给出了掺混均匀度评价参数,获得了两种喷注模型的反应物掺混均匀度沿轴向的变化规律。针对这两种喷注模型,开展旋转爆震波传播特性实验研究,分析了旋转爆震波的传播速度、工作稳定性、当量比边界等。研究结果表明:将燃料喷注小孔前移,可大幅提高燃烧室头部的掺混均匀度;随着掺混均匀度的提高,旋转爆震波的传播速度增加,传播稳定性明显提高,稳定工作的当量比下限从1.08拓宽至0.57。研究结论可为旋转爆震发动机喷注结构设计提供参考。      

脉冲爆震发动机旋流式气动阀工作机理和扰流器阻力特性的实验研究

在脉冲爆振发动机（Pulse detonation engine,PDE)上采用旋流式气动阀,并获得成功应用。在此基础上,通过测量旋流式气动阀正反向流动阻力系数,研究了旋流式气动阀的工作机理。同时,还研究扰流片形状、阻塞比、扰流片片数及间距对扰流器阻力系数的影响。研究表明：PDE旋流式气动阀反向流动阻力系数仅比正向流动阻力系数大5％～36％,并通过试验结果建立了PDE旋流式气动阀工作机理。试验中发现：扰流器的阻力系数和扰流片型式、堵塞比、扰流片数目和间距有关。这些研究结果对PDE旋流式气动阀和扰流器设计有较大的参考价值。