煤油燃料旋转爆轰波起爆与传播特性实验研究

为研究煤油燃料旋转爆轰波的起爆与传播特性,开展气体-液体两相旋转爆轰发动机实验研究。旋转爆轰发动机环形燃烧室内径120 mm、外径153 mm、长240 mm,煤油为燃料、富氧空气为氧化剂,通过氢气/氧气微小型脉冲爆轰发动机进行点火;基于燃烧室内的高频压力,分析气体-液体两相旋转爆轰波的起爆过程、传播特性以及发动机的工作特性。实验结果表明：混合物的反应活性至关重要,当氧化剂中氧含量偏低时,混合物反应活性低,旋转爆轰波将无法起爆,直至氧含量增加到39.2%,才能形成自持传播的爆轰波;爆轰波成功起爆后均以双波对撞模态传播,波速为815~ 920 m/s;在 贫油条件下,爆轰波传播速度随着当量比提高呈增加趋势;当空气质量流量大于822 g/s时, 发动机基本以缓燃形式工作。     

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...     

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。     

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...     

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。     

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。     

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。     

基于弯型预爆管的煤油燃料旋转爆轰发动机起爆实验研究

为了研究采用弯型预爆管的预爆轰式连续旋转爆轰发动机点火起爆过程和旋转爆轰波的传播特性,设计了H₂/O₂弯型预爆轰管的预爆轰点火装置,进行了预爆轰点火实验,并研究了应用该预爆轰管的煤油/富氧空气旋转爆轰发动机的起爆特性。借助高频动态压力传感器和高速摄影,分别记录了实验过程中的压力信号与流场动态变化过程,分析了旋转爆轰波的起爆过程以及传播特性。实验结果表明：初始爆轰波在到达燃烧室入口后迅速膨胀解耦,形成两个沿相反方向传播的压力波,并且压力峰值迅速衰减;成功起爆后,爆轰波在燃烧室内以双波对撞模态自持传播,每一周期内双波发生对撞的位置不断变化;当煤油质量流量增加时,燃烧室内形成稳定旋转爆轰的时间间隔增加;在稳定工作范围内,提高当量比可以增加爆轰波的平均传播速度。该实验验证了将该弯型预爆管应用于煤油/富氧空气旋转爆轰发动机点火的可行性,进一步揭示了煤油/富氧空气旋转爆轰发动机的起爆过程。     

当量比对煤油-空气两相旋转爆轰波的影响

为研究当量比对煤油-空气两相旋转爆轰波的影响,基于欧拉-拉格朗日方法,以常温液态煤油为燃料、高总温空气为氧化剂开展二维数值模拟。通过控制进油量计算不同当量比下的两相旋转爆轰流场,分析当量比对流场结构、传播特性和推力性能的影响。分析结果表明：在一定的当量比范围内,爆轰波波头高度随着当量比的增大而减小;当量比大于0.6时,速度亏损随着当量比的增大总体呈现增加的趋势,变化范围为7.1%~17.2%;当量比大于0.8时产生燃料损失,燃料损失随当量比的增大呈近似线性增加,当量比为2.0时最大为51%;随着当量比的增大,比冲减小,比推力先增大后减小并在当量比为1.5时达到最大值,比冲和比推力的变化范围分别为1 154.3~ 3 912.4 s和1 226.8~1 521.8 N·s/kg。     

脉冲爆轰发动机进气压力对爆轰影响的实验研究

为了研究脉冲爆轰发动机进气压力对爆轰过程的影响,对以汽油空气混和物为燃料的脉冲爆轰发动机进行了实验研究.实验得到了工作频率为33 Hz和40 Hz的稳定爆轰波,其峰值压力分别为1.5～1.8 MPa和1.3～1.8 MPa.实验结果表明,空气进口压力对点火起爆过程及爆轰频率等具有大的影响,当进口空气压力降低,点火起爆过程变难,爆轰频率下降.实验结果对脉冲爆轰发动机机理研究及实验装置改进等具有一定的参考价值.     

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25 μm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.     

点火能量对两相爆轰波形成影响的数值研究

针对液态辛烷/空气两相混合物燃烧波在一维封闭空间内传播时爆燃向爆轰转变(DDT)的问题,运用化学反应流动基本理论、颗粒轨道模型和两步反应模型,在拉格朗日质量坐标系中建立了对该现象的数学表达,并开发了数值模拟程序CTPD,其中气体动力学方程采用显式差分格式,化学反应项使用二阶精度的Adams方法.通过数值模拟研究了液态燃料爆轰波的基本特性,以及点火能量及初始温度对于爆轰波结构与发展的影响.研究发现,点火能量及初始温度的提高显著促进了爆轰的转变,爆轰强度随着点火能量的提高而增大,随着初始温度的提高而减小.研究中计算结果与实验波形符合良好,说明本研究为包括DDT现象在内的脉冲爆轰发动机工作过程提供了一种可行的计算方法.     

等离子体点火对PDE一维两相爆轰影响的数值计算

建立了PDE管内利用等离子体射流点火过程的一维两相流体动力学数学模型,并用CE/SE方法对管内两相爆轰过程进行了数值模拟。分析讨论了等离子体射流点火不同射流时间及点火能量对于爆轰波形成的影响。结果表明:与常规火花点火相比,等离子体射流点火可以缩短DDT时间约35%,缩短DDT距离约30%;在能够形成爆轰的情况下,等离子体点火能量和点火时间的增加对DDT距离影响很小。计算结果对提高脉冲爆轰发动机的运行频率具有重要的参考价值。     

供气含氧量对脉冲爆轰发动机性能影响的实验研究

为研究氧化剂中含氧量对脉冲爆轰发动机性能的影响,对采用不同含氧量的压缩气体作为氧化剂的火箭式脉冲爆轰发动机进行了实验研究.实验结果表明,压缩气体中舍氧量变化对爆轰波压力有较大影响,在压缩气体中适当提高氧气含量,能显著促进爆轰的转变;爆轰波峰值压力随着舍氧量的提高而增大,并能在爆轰管中形成稳定的爆轰.采用氧气和氮气混合气...     

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%。     

喷管对脉冲爆轰发动机爆轰噪声影响的实验研究

喷管不但可以增加脉冲爆轰发动机推力,而且对脉冲爆轰发动机噪声的形成与传播也具有重要作用。为探索脉冲爆轰发动机爆轰噪声形成机理及控制技术,搭建了脉冲爆轰发动机噪声测试实验系统,在不同位置不同角度对3种不同类型喷管的脉冲爆轰发动机爆轰噪声特性进行了研究。研究结果表明,收敛扩张喷管对于减小脉冲爆轰发动机爆轰噪声幅值作用最为明显,在0°方向3 000 mm处可以达到77.13%的降幅;对于收敛喷管,收敛角度越大指向性越明显,而扩张和收敛扩张喷管的喷管出口面积越大指向性越不明显;喉部直径48 mm的收敛扩张喷管与管口直径280 mm和320 mm的扩张喷管对参考半径影响最为显著,参考半径由1 600 mm减小至800 mm. 研究结果对于爆轰噪声机理研究以及脉冲爆轰发动机工程化应用具有重要参考意义。     

爆炸抛撒方式对FAE云雾爆轰特性及威力影响的实验研究

为探讨中心药管和径向药管爆炸抛撒对FAE爆轰特性及威力影响,通过高速录像、压电传感器和红外热像仪记录FAE静爆实验。获得两发50kg PO、1.5kg抛撒装药、两种爆炸抛撒作用下的云雾扩散、火球温度、冲击波超压数据。结果表明,采用中心药管和径向药管爆炸抛撒形成的云雾覆盖面积和起爆形态相差不大;后者在云雾和破片均匀性方面优于前者,火球温度比前者增益约12%,冲击波超压比前者增益约20%~35%。     

24-二硝基茴香醚基含铝熔铸炸药爆轰临界直径的实验研究

为了揭示2,4-二硝基茴香醚(DNAN)基高能钝感熔铸炸药的爆轰传播特性,加快DNAN基熔铸炸药的工程化应用,采用连续导线法测量了DNAN基含铝熔铸炸药的临界直径。结果表明：Al含量（质量百分比0~30%）增大、Al粒度d₅₀（分别为6 μm、12 μm、31 μm）减小均会降低爆轰传播的临界直径;黑索今（RDX）的粒度d₅₀（分别为19 μm、147 μm、751 μm）增大、RDX品质提高会增大爆轰传播的临界直径。研究结果为DNAN基含铝熔铸炸药的配方和战斗部结构设计提供基础的技术参数。     

动壁作用下流化气量对粉末供给特性的影响研究

粉末燃料流化输送特性是粉末发动机燃料供给系统设计的一个关键,为深入研究粉末燃料的流化特性,本文基于气固双流体模型,通过UDF实现活塞运动,初步建立了考虑运动壁面作用下的稠密气固两相数值计算模型,并开展了不同流化气量条件下粉末燃料的流化过程以及流化特性研究。结果表明：在启动阶段,不同工况下气体对颗粒的卷吸输出量均大于理论流量,同时粉末储箱内压强和运动壁面受力均大于稳定输送阶段,且颗粒输出量和粉末储箱压强均随流化气量的增大而增大;在稳定输送阶段,运动壁面向前推送的粉末量与流化气卷吸的粉末量达到动态平衡,不同工况下都能形成较为稳定的气固型面,且粉末平均流量均小于理论流量,粉末平均流量随着流化气量的增大而增大,颗粒床层的高度随着流化气量的增大而降低。