粉末爆轰发动机压差式供给系统工作特性研究

本文建立了一套压差式粉末燃料供给系统,通过对流化腔压力、主气路压力、流化气质量流量以及粉末供给质量等数据的实时监测,探究了在不同活塞速度、不同压差下,该供粉系统对于煤粉燃料的工作过程及供粉特性的影响,并且推导了煤粉/氮气的气固两相壅塞流量的半经验公式。得出以下结论：当粉末供给系统的供粉过程处于稳定供粉阶段时,整个供粉系统可以实现对粉末爆轰发动机燃料的稳定输送;随着供粉流量的增加,气固两相流通过音速喷嘴喉部时气相流通面积逐渐减小导致流化腔压力升高;通过不断的减小压差,证明了流化气总压为3 MPa,活塞速度为10 mm/s,主气路总压从1 MPa上升至2.5 MPa过程中气固两相流均处于壅塞状态;根据流化气总压3 MPa的实验结果拟合得到的气固两相声速公式和壅塞流量半经验公式在流化气总压4 MPa时得到了进一步实验验证。因此,该拟合公式适用于压差式粉末供给系统的燃料输送过程中,对煤粉/氮气气固两相壅塞流量的预测计算。     

乙烯对煤粉-氧气爆轰波起爆特性影响机制的实验研究

为实现煤粉连续旋转爆轰发动机的可靠点火,开展乙烯对煤粉-氧气起爆特性的影响机制研究。在初始压力p₀=100 kPa下,采用高能电点火对有无0.5当量比乙烯氛围下的煤粉-氧气混合物开展直接起爆实验研究。点火能量通过测定在空气中高能电火花产生的爆炸波压强进行计算。计算后发现：采用6.3 J的有效点火能量,煤粉-氧气在不含乙烯的氛围下无法起爆;在此能量下,煤粉-氧气在0.5当量比的乙烯氛围条件下可实现直接起爆;将能量降低为3.6 J,使其低于乙烯-氧气(0.5当量比)混合物的临界起爆能量,虽然乙烯-氧气无法直接起爆,但是在加入煤粉后却可以形成稳定的自持爆轰波。研究结果表明：若要实现煤粉-氧气的直接起爆,则需要添加一定量的助爆气体(如乙烯);煤粉的加入还可以拓宽乙烯-氧气混合物的起爆极限。所得结果可以为煤粉连续旋转爆轰发动机的点火起爆提供理论依据并提供技术支撑。     

铝粉燃料连续旋转爆轰发动机工作特性

为探索基于铝粉燃料的连续旋转爆轰发动机独特的爆轰特性及推进性能,开展铝粉/空气和氢气/空气连续旋转爆轰发动机热试车对比实验。实验结果表明：在相同发动机构型及条件下,铝粉/空气连续旋转爆轰发动机的推力比氢气/空气高35%;铝粉/空气的峰值压强比氢气/空气高11%;铝粉/空气的爆轰波传播速度比氢气/空气低11%;铝粉/空气工作模态同氢气/空气一样,均为单波模态。上述差异一方面由燃料不同物理化学性质所致,另一方面由气-固两相爆轰和纯气相爆轰差异所致。所得研究结果可为吸气式粉末燃料连续旋转爆轰发动机奠定一定的实验和理论基础。     

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%。     

容弹内片状无烟煤粉喷射掺混特性实验研究

粉末在容弹以及发动机燃烧室内的掺混状态对粉末爆轰特性有较大的影响,因此亟须对粉末在有限空间内的喷射掺混特性展开研究。搭建了一套透明的容弹系统,通过高速摄影监测系统,对片状煤粉在容弹内的喷射掺混过程进行观测,并对高速摄影拍摄图片进行后处理,分析煤粉在容弹内的喷射掺混变化规律。针对煤粉喷射掺混图像建立了一种灰度值标准差曲率分析方法,研究发现标准差曲率趋于0的初始时刻为煤粉掺混均匀最佳时刻,可以选取为最佳点火时间点,且该方法所选取的时刻与逐帧分析高速摄影图像所选取的时刻吻合。在煤粉浓度为120 g/m³,210 g/m³,300 g/m³下,依次展开煤粉喷射掺混实验,并应用此灰度图像标准差曲率分析方法进行分析。实验结果表明：保持煤粉浓度一致时,掺混均匀性最佳时间随喷粉时长的增长而逐渐缩短,点火时刻提前;保持喷粉时长一致时,掺混均匀性最佳时间随供粉浓度的增长而延长,点火时刻延后。     

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...     

甲醇点燃式发动机爆震破坏形式试验研究

在一台使用M100纯甲醇燃料并提高压缩比的四缸点燃式发动机运行过程中,强制发生爆震.通过对爆震时燃烧过程的监测及破坏后的活塞宏观及微观结构进行的分析,提出纯甲醇点燃式发动机发生爆震破坏的活塞失效形式.研究中观察到纯甲醇发动机产生爆震时,发动机燃烧室内的爆发压力迅速升高,而且变化幅度剧烈,形成爆轰压力波.当该压力波作用在活塞上,使其表面及内部发生快速的热氧化腐蚀.金相分析表明,硅铝合金材质活塞的表面在爆轰波影响下,原始均匀分布的Al-Si合金成分发生错位.通过扫描电子显微镜进一步分析,发现失效的活塞表面发生绝热剪切熔孔.再通过X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)成分确定后,观察到失效活塞表面的晶型有了改变.根据获得的缸内燃烧情况,得出纯甲醇发动机发生爆震时的压力波破坏形式.对照爆震发生时发动机燃烧室内的缸压变化,提出一种爆震压力波对活塞表面的影响模式.     

烈性爆震下活塞材料破坏实验

已有研究表明,乙炔/氧气混合气在燃烧室内产生的爆轰波会发生汇聚现象并且容易破坏活塞材料.为了揭示烈性爆震下影响爆轰波破坏力的关键因素,通过改变活塞试件的厚度和混合气的初始状态来进行活塞材料破坏实验.结果表明,对于烈性爆震,活塞顶部中心厚度的选择存在最佳值.当初始压力超过一定的安全值之后,试件的中心挠度会急剧增大.当量比从1.0增加到1.5时,混合气变浓,爆轰波破坏力并不会减弱.当混合气当量比从1降低到0.5时,爆轰波的破坏力明显减弱.