基于预爆轰点火方式的连续旋转爆轰发动机起爆过程分析

为深入了解预爆轰式连续旋转爆轰发动机点火起爆机理,基于连续旋转爆轰发动机试验平台进行了一系列预爆轰管点火试验和连续旋转爆轰发动机点火起爆试验研究,基于OpenFOAM开展了预爆轰管内初始爆轰波进入发动机环形燃烧室传播过程的数值模拟研究。结果表明:试验研究中,初始爆轰波进入环形燃烧室后波峰压力值迅速降低,爆轰波膨胀解耦并衰减为燃烧波; 初始爆轰波进入环形燃烧室后,并未直接形成旋转爆轰波,而是存在“初始爆轰波解耦—DDT—触发旋转爆轰波”过程; 在总质量流量为380 g/s左右时,随着当量比从0.65提高至0.95,DDT时间迅速从20 ms以上下降至2 ms以下; 当总质量流量下降至280 g/s附近时,出现了旋转爆轰波峰值压力大幅波动等旋转爆轰波不稳定传播现象。数值模拟中,初始爆轰波进入环形燃烧室后逐渐衰减,形成首道激波,该激波在燃烧室内壁面反射后形成反射激波,并伴随首道激波传播; 首道激波在传播过程中在燃烧室进口端面发生反射形成反射激波,该反射激波最终在周向约90°位置处衰减至消失。     

气体与液体两相连续旋转爆轰发动机爆轰波传播特性三维数值模拟研究

为了研究气体与液体两相连续旋转爆轰波的传播特性,基于三维守恒元和求解元方法,在圆柱坐标系下采用带化学反应的气体与液体两相爆轰模型,对连续旋转爆轰发动机进行三维数值模拟。通过计算获得了爆轰波起爆及其稳定传播时的流场结构,分析了流场在燃烧室径向方向的变化以及发动机的推力性能,揭示了两相爆轰波的传播特性。研究结果表明:燃烧室内流场结构与文献[4]中的实验研究结果定性一致;由于环形燃烧室外壁面的收敛和内壁面的发散,爆轰强度沿着燃烧室的径向方向逐渐增强,实现了爆轰波的自持旋转传播;以汽油为燃料、富氧空气为氧化剂,在填充总压为0.2 MPa、总温为288.15 K、燃料液滴半径为25μm的条件下,连续旋转爆轰发动机所获得的平均推力约为880 N,爆轰波的传播频率约为4 390 Hz.     

基于修正光滑粒子流体动力学的爆轰波对金属球壳的压强数值模拟

采用不同的聚心爆轰波初始阶段和聚心阶段的理论分别计算了球壳装药点起爆后金属球壳和金属球的压强.基于一种改进的SPH方法进行一点起爆的爆轰波传播以及对金属球壳推动压缩的数值模拟,直观、形象地显示了爆轰波对金属球壳的压缩动态响应过程.仿真结果有效避免了传统网格算法具有的扭曲和缠绕,并且与理论计算非常吻合,验证了该算法在爆轰领域应用的正确性和可行性.     

氢气占比对氢气-煤油-空气旋转爆轰波传播特性的影响

为研究燃料中氢气占比对旋转爆轰波传播特性的影响,以液态煤油和氢气作为燃料、空气为氧化剂,通过求解Navier-Stokes 方程对旋转爆轰过程进行二维数值模拟。通过改变质量流量和燃料中氢气的占比对旋转爆轰波进行二维数值模拟,研究不同工况对旋转爆轰波传播特性的影响,并对燃烧室内新爆轰波形成过程、模态转换过程和气液分布不均匀现象进行分析。结果表明：在成功起爆工况下,爆轰波有3种传播模态,即单波模态、双波对撞转单波模态和双波对撞转双波模态,提高质量流量或氢气占比有利于爆轰波由单波模态向双波模态转换,模态过度区内存在波速突降;在爆轰波第1个传播周期即将结束时,初始点火起爆形成的正向爆轰和反向激波对撞并透射,透射激波在缓燃区附近诱导产生局部热点并形成新的爆轰波,经过一系列对撞、透射湮灭和增强过程,最终形成稳定的单波或双波模态;当爆轰波稳定后,由于燃烧室内气液分布不均匀,旋转爆轰波稳定传播时内流场可以分为缓燃区、富燃区、富氧区和填充区共4个区域;缓燃区附近局部热点的产生是新爆轰波形成原因之一。     

正交多狭缝扫描技术在偏心起爆波形分析中的应用

为研究装药在偏心起爆条件下的爆轰波传播特性,采用正交多狭缝扫描技术对装药表面的爆轰波传播过程进行观测,从两个垂直方向同时记录了多条扫描迹线,通过对实验结果进行分析,获得了爆轰波在狭缝交点处的传播速度及方向,并绘出了定向区域的波形演变图.结果表明,正交多狭缝扫描技术能够较全面地记录装药偏心起爆时爆轰波传播过程的信息,可以为爆轰波传播特性及波形变化规律的研究提供依据.     

喷管对连续旋转爆轰涡喷组合发动机性能影响的数值研究

采用共轴环包式双燃烧室模型,通过数值模拟探讨了尾喷管结构参数对连续旋转爆轰涡喷组合发动机燃烧室及喷管流场结构和性能的影响。采用40%富氧空气为氧化剂,煤油蒸气为燃料,物理模型由外环内径93 mm、外径113 mm、长度85 mm的环形旋转爆轰燃烧室和内腔直径83 mm、长度85 mm的共轴涡喷中心流道组成,计算域包括带有共用等直喷管、独立等直喷管以及2种不同收缩比的拉法尔喷管的连续旋转爆轰涡喷组合发动机的燃烧室和喷管流场。数值结果表明:旋转爆轰燃烧室在发动机带有不同尾喷管时均能够形成稳定自持传播的爆轰波,不同喷管构型对爆轰燃烧室内的流场结构与参数影响较明显。相比于独立等直喷管,对于爆轰波峰值静压与波速的影响上拉法尔喷管起到有效的提升作用,但收缩比的增加会导致预混气喷注不均匀,影响爆轰波自持传播的稳定性; 共用等直喷管则轻微地降低了爆轰波峰值静压与传播速度,提高了预混气喷注区域和波头的高度。在该文所选工况下,较大收缩比的拉法尔喷管能明显地改善喷管出口的状态,对发动机的推力与燃料比冲提升最显著,高达16%。     

气体与液体两相连续旋转爆轰波二维数值模拟研究

为研究汽油与富氧空气两相连续旋转爆轰发动机的工作特性,使用非结构化三角形网格守恒元与求解元(CE/SE)方法对气体与液体（简称气液）两相连续旋转爆轰波进行了二维数值模拟。通过数值模拟获得连续旋转爆轰波传播的不同模态,研究了进气总压和当量比对两相连续旋转爆轰波的影响,分析了不同模态下连续旋转爆轰发动机的工作特性,并对数值模拟结果进行了试验验证。结果表明：液滴的蒸发和剥离过程,延缓了液滴燃料的燃烧,导致了两相爆轰压力和温度的不完全耦合,降低了两相爆轰波的传播速度;当量比对连续旋转爆轰波的传播模态影响较大,当量比越低、越容易形成单波模态,当量比越高、越容易产生多个波头;单波模态的爆轰波压力和传播速度波动最小,双波模态居中,三波模态波动最大;发动机推力波动规律与压力波动规律相反,单波模态推力波动最大,双波次之,三波模态推力波动最小;计算所得旋转爆轰波波速与试验结果吻合较好,旋转爆轰波流场与实验研究定性一致。数值研究方法发展了非结构化CE/SE算法,研究结果对气液两相连续旋转爆轰发动机的试验研究和工程应用具有一定的指导意义。     

驻定斜爆轰波流场的数值模拟与显示

通过数值模拟和实验显示的方法对驻定在高速飞行体上斜爆轰波流场进行研究．数值模拟基于含反应源项的多组分守恒方程和简化的有限反应速率氢氧两步反应模型,采用高分辨率的ＴＶＤ格式．实验采用２５ ｍ ｍ 滑膛炮发射高速锥形弹丸进入氢－空气混合介质形成驻定斜爆轰波,并获得驻定斜爆轰波的照片．     

氧化剂喷注面积对连续旋转爆轰波传播特性影响的实验研究

为了研究氧化剂喷注面积对连续旋转爆轰波传播特性的影响,以H₂为燃料、空气为氧化剂,在喷孔-环缝式连续旋转爆轰发动机上开展了一系列试验研究。基于燃烧室内高频压力信号和氧化剂集气腔内的压力信号,分析了氧化剂喷注面积对连续旋转爆轰波传播过程、速度亏损和稳定性以及爆轰波波头高度的影响。试验结果表明：当推进剂质量流量不变时,增大氧化剂喷注面积,爆轰波传播速度亏损增大,爆轰波稳定性变差,同时爆轰波波头高度减小;在氧化剂喷注面积为217.1 mm²、当量比为0.9时,爆轰波平均速度达到1 800 m/s,为理论Chapman-Jouguet速度的93%,同时爆轰波表现最为稳定;当氧化剂喷注面积不变时,随着当量比的增大,爆轰波传播的稳定性先升高、后降低。     

基于乙烯/空气详细反应机理的旋转爆轰过程数值模拟

为了研究乙烯/空气的旋转爆轰传播特性,采用OpenFOAM7中rhoReactingCentralFoam求解器,以及乙烯/空气21组分36步基元化学反应模型,对旋转爆轰传播过程进行了二维数值模拟研究。通过改变预混气各组分的质量分数,验证了基元反应在旋转爆轰的可适用性,研究了当量比对旋转爆轰波的影响,分析了旋转爆轰燃烧室的流场结构、压力增益和燃料比冲。研究结果表明:在当量比0.7～1.1范围内旋转爆轰波能够自持传播,其传播模态均为单波; 在来流总压0.6 MPa和总温300 K时,压力增益均保持在30%以上,且随当量比的增加旋转爆轰波传播速度、阻塞比、压力增益以及燃料比冲均增大,速度亏损逐渐减小,但随着当量比的增加其增长速率和降低速率呈下降趋势; 爆轰波稳定传播时,中间产物OH集中在爆轰波后方和斜激波下游,反映了化学反应阵面的形状。爆轰波传播过程中,由于爆轰波扫过后压力过高,新鲜燃料无法供应,导致温度曲线图出现波动。     

高温下TATB基钝感炸药爆轰波波阵面曲率效应实验研究

为了研究高温环境对钝感炸药爆轰波波阵面曲率效应的影响,采用高速扫描照相技术及电探针测速技术获取了高温60℃环境下TATB基钝感炸药三种直径药柱爆轰波拟定态爆轰波形状及波速。结果表明,TATB基钝感炸药在高温60℃下的拟定态爆轰波波速随着炸药直径基本呈现线性增长趋势,且相同直径的高温结果均低于常温结果。三种直径TATB基钝感炸药在高温60℃下的拟定态波阵面形状较常温结果更为陡峭。采用遗传算法对三种直径炸药的实验结果进行拟合计算,获得了TATB基钝感炸药高温曲率效应D_n(κ)关系参数。采用DSD(Detonation Shock Dynamics)方法对三种直径炸药的爆轰波非理想传播过程进行了模拟,计算结果与实验结果吻合较好。     

旋转爆轰自持机理的数值研究

为研究旋转爆轰的自持机理,基于带化学反应的二维Euler方程,对2H2/O2/Ar系统在圆环管内爆轰的传播进行了数值模拟.用二阶附加半隐的Runge-Kutta法和五阶WENO格式分别离散欧拉方程的时间和空间导数项,采用基元反应简化模型描述爆轰化学反应过程.得到了旋转爆轰流场温度、压力、典型组元OH质量分数的分布及数值...     

连续旋转爆轰发动机隔离段流场数值模拟研究

为了研究连续旋转爆轰发动机(CRDE)隔离段的反压特性,建立了等直隔离段以及带扩张段的隔离段模型,用FLURNT对这2种构型的隔离段进行三维数值模拟,研究了旋转爆轰波在隔离段内向上游传播的特性,分析了不同结构对流场结构、激波串前传位置的影响; 对同一结构,分析了反压大小、旋转速度对其的影响。研究结果表明,反压在隔离段内与附面层相互作用,诱导出复杂激波和膨胀结构,形成了激波串。反压扰动在隔离段中前传的距离与隔离段的构型、反压旋转速度和大小有关:等直隔离段的抗压能力相对更强,反压旋转速度或压力增加,都会使得扰动区域增加。数值模拟结果对CRDE隔离段反压特性研究以及结构设计具有一定参考价值。     

等离子体射流点火对燃烧转爆轰影响的二维数值计算

采用二维粘性CE/SE方法对等离子射流点火的多相爆轰进行了数值计算,分别以N-S方程和Euler方程为控制方程,对比了等离子体射流条件下粘性对爆轰流场的影响。分析了不同射流温度、时间及初始液滴半径对燃烧转爆轰过程的影响。计算结果表明：粘性作用对爆轰波的传播过程影响甚小,对爆轰参数数值大小有一定影响。提高初始射流点火的温度和时间,可以显著地缩短形成稳定爆轰的燃烧转爆轰距离（DDT）;当等离子体射流已经充分点燃可爆混合物,继续增加射流时间对缩短DDT影响较小。当液滴半径小于50 μm时,爆轰波峰值压力随着液滴半径的增加而增加;当液滴半径大于50 μm时,爆轰波峰值压力随着液滴半径的增加而减小。计算结果对脉冲爆轰发动机（PDE）的设计与实验具有一定的指导作用。     

凝聚相炸药拐角爆轰的数值模拟

基于多介质可压缩流体方程和炸药反应速率方程构建了三维凝聚相炸药爆轰的物理模型,建立了适用于多相爆轰混合反应区计算的热力学平衡迭代方法并开发了高效稳定的爆轰并行模拟软件,基于对比试验验证了物理模型、数值方法和软件模块的正确性。通过数值模拟不同拐角的爆轰过程,重点研究了凝聚相炸药拐角爆轰的波阵面结构、流场与化学反应的相互耦合和拐角处的二次起爆机理。结果表明,PBX9404炸药135°拐角比90°拐角衍射范围更大,波阵面结构受到当地流场波速的影响;爆轰波绕过拐角后由于流场涡流作用导致化学反应与前导激波解耦,形成临时"死区",随着拐角增大,拐角死区范围扩大;死区二次起爆的关键是混合反应区回爆波的作用时间大于拐角区域起爆的临界诱导时间。     

圆锥激波诱导的爆燃和爆轰不稳定性研究

对马赫数为6.5的H2/空气预混气体来流,采用带化学反应的多组分Euler方程,在半锥角为32°的圆锥体诱导下的爆燃和爆轰波结构及其不稳定性进行了数值研究。利用文献[7]实验结果验证了数值模型和计算网格的可靠性。计算结果表明,圆锥激波诱导的燃烧包含爆轰和爆燃两个基本形态,两者在空间上呈现出较规则的不稳定结构,而在时间进程上呈现出两种形态交替出现的周期振荡燃烧不稳定现象。爆轰过程的空间不稳定结构由多个基本的三波点结构叠串而成,而爆燃过程中的反应阵面则呈现出锯齿形状。在一个振荡燃烧周期内,爆燃和爆轰的不稳定性受三波点波系结构、化学反应诱导区内未燃气体的热力学状态以及壁面反射波扰动的影响,表现出爆燃过程中化学反应诱导区长度沿圆锥壁面不断增加和爆轰过程中长度不断缩短的特有现象。研究结果对超燃冲压发动机或驻定爆轰发动机的燃烧室设计有参考意义。