H_2/Air连续旋转爆震发动机推力测试(Ⅱ)-双波模态下的推力

在环缝-喷孔对撞式喷射的H2/Air连续旋转爆震模型发动机上实现双波自持。详细分析了连续旋转爆震波以双波模态自持传播的典型波形特征和时域、频域特征。测量了模型发动机工作在双波形模态下所产生的一维推力,讨论了比冲等推力性能。时频特性和推力积分表明:出口背压为大气压时,在空气流量786.6g·s-1,氢气流量20g·s-1,当量比为0.8733的工况下,模型发动机以平均传播频率10.5809k Hz,平均传播速度1578.9m·s-1的双波模态稳定工作超过650ms。产生可靠的有效推力约808.5N。以火箭模式计算,有效排气速度为1002.3m·s-1,总比冲为102.3s;以冲压模式计算,有效排气速度(氢气消耗率)为40425m·s-1,燃料比冲为4125s,所消耗氢气的单位面积质量流率为13404g·m-2·s-1,单位推力为1027.8m·s-1。相比于单波模态,双波模态使得燃烧室内压力更为均匀,高频推力曲线振荡幅值小。爆震波头个数增多有利于推力稳定。     

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.     

不同端面密封条件下缓燃-爆震转捩特性试验

为研究不同端面封闭程度时缓燃-爆震转捩(DDT)的特性,在60 mm×60 mm×2 000 mm方爆震管内,在封闭端设置了5种阻塞比的方孔,针对4种余气系数用乙炔(C₂H₂)和空气混合物进行了单爆震性能研究.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向缓燃-爆震转捩(DDT)转捩位置处爆震管内的压力、火焰传播速度和方向.分析结果表明:①随端面阻塞比的增大,DDT的距离会变长;②端面的封闭程度并不影响DDT转捩的本质特性.      

二维爆震波数值模拟

针对爆震发动机的多维效应,利用CFD计算软件对单管脉冲爆震发动机进行了二维的数值模拟。以氢气和氧气混合物为例,仿真了爆震波在管内的传播过程以及传出管外后的流场情况。模拟所得的爆震波参数与文献中的计算结果和实验值基本一致,验证了模拟的正确性。爆震波传出爆震管后退化成一道激波,对该激波的流动情况进行了分析。     

爆震管内火焰发展机理试验

为客观地了解爆震管内火焰燃烧发展变化的过程,首先设计了光电池测量系统,在同一截面上安装了高频响PCB压力传感器、离子探针和光电池。通过测量离子探针和光电池的触发时刻来验证光电池测量火焰信号的正确性,然后通过分析光电池信号的持续时间来间接获得单个截面处火焰燃烧的持续时间。结果表明:当爆震波传出爆震管后,管内仍在继续燃烧,且燃烧持续时间的量级为毫秒级。     

燃烧室轴向长度对旋转爆震发动机性能的影响

采用氢氧单步化学反应模型,对以当量比为1.0的氢气空气预混气为反应物的旋转爆震发动机（RDE）进行了数值模拟,系统研究了燃烧室轴向长度对RDE性能的影响.通过详细分析燃烧室进出口气体状态参数,揭示了燃烧室轴向长度对发动机影响的内在机理.研究结果表明:燃烧室轴向长度过短时,爆震波的形成不够充分;在发动机推力中,动量推力占主要部分;在计算的燃烧室轴向长度范围内,发动机的比冲为5410~5566s,燃烧室轴向长度对发动机比冲的影响较小.      

旋转爆震发动机中爆震波不稳定传播特性实验研究

在内径为60mm,外径为70mm的旋转爆震发动机实验件上,进行了以氢气/空气为推进剂的旋转爆震实验,以研究爆震波传播过程中的不稳定现象。实验中采用预爆管切向入射的方式起爆旋转爆震波,用高频动态压力传感器记录爆震波压力,用高速摄像机拍摄爆震波在环形燃烧室内的传播现象。在稳定工况下,爆震波传播速度达到1680.6m/s(为理论值的83.9%),工作频率达到7642Hz;在小流量工况下,爆震波的传播速度表现出很强的不稳定性,能从790.1m/s(理论值的39.4%)变化至1533.9m/s(理论值的76.6%)。实验发现了旋转爆震发动机的点火起爆过程中存在如下不稳定现象:爆震波自发改变传播方向,爆震波自发由一个变成两个,两个爆震波相互撞击。在实验中,还发现:不带喉部时,旋转爆震发动机中爆震波的传播方向具有随机性;带喉部时,爆震波的传播方向呈现出规律性。出现上述"不稳性"现象的可能原因是:点火起爆阶段,初始流场混乱,湍流度较大,爆震波的形成过程容易受到流场扰动的随机性干扰。     

带等压预燃的旋转爆震发动机循环效率分析

针对煤油-空气旋转爆震发动机(RDE)点火困难问题,提出一种采用等压预燃的爆震循环模式。通过零维的热效率理论分析方法,建立了一种针对于带预燃的爆震热循环效率模型。结果表明,预燃爆震循环的热效率高于理想Brayton循环,低于理想爆震循环。预燃空气比例是热效率的重要影响因素,循环温比为2,预燃空气比例为0时,预燃爆震循环比理想Brayton循环热效率高26.4%,而当预燃空气量逐渐增加,预燃循环效率提升的比例逐渐变小。采用预燃方式有利于液态煤油的点火起爆,在低温比,低预燃空气比例条件下优势明显。试验中应当在保证煤油能够起爆的前提下采用尽可能少的预燃空气。     

活塞式航空煤油直喷发动机的爆震控制

针对过量空气系数、点火提前角、压缩比等影响因素,在一台自主研发的单缸试验机上,开展了活塞式航空煤油发动机爆震抑制方法以及相关影响因素的爆震敏感度分析的研究。结果表明:减小过量空气系数不能有效地抑制航空煤油爆震;推迟点火能够减小爆震强度,但减小点火提前角至爆震消除时,燃烧热效率和输出功率均损失10%~15%;降低压缩比可以有效抑制航空煤油爆震燃烧,但压缩比由9降至7时,输出功率出现了30%左右的显著损失。爆震敏感度分析表明,压缩比的变化对航空煤油爆震燃烧强度影响最大,而过量空气系数的爆震敏感度最小。      

脉冲爆震技术推动高超声速发动机的发展

美国正在发展马赫数超过4的高超声速飞行器,而脉冲爆震发动机技术被认为是有望实现该目标的可行方案,美国国防部预研局（DARPA）为此开展一项名为弗尔康（Vulcan）的全尺寸高超声速发动机项目,GE在其中占有重要地位。