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...     

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。     

当量比及氧化剂含氧量对凝胶汽油爆轰过程的影响

为了研究化学当量比和氧化剂含氧量对凝胶汽油/气相氧化剂两相爆轰过程的影响,建立了考虑组分的凝胶汽油/空气三维两相爆轰模型,并采用守恒元与求解元方法对脉冲爆轰发动机管内爆轰过程进行了数值仿真,分析了当量比和氧化剂含氧量对爆轰波形成时间、形成距离、爆轰波压力峰值和爆轰波传播速度的影响.数值研究结果表明,当量比α小于1.15时,随着当量比的增大,脉冲爆轰发动机管内形成爆轰波所需的距离和时间缩短,爆轰波的压力峰值和传播速度增大,当量比α=1.15时形成爆轰波所需的距离和时间分别为0.288 m和278.0μs,爆轰波压力峰值和传播速度分别为1.85 MPa和1437 m·s-1;随着氧化剂含氧量β的增大,爆轰波的压力峰值和传播速度增大,当氧化剂含氧量β由23％增大至48％时,爆轰波的压力峰值由1.85 MPa增大至2.85 MPa,传播速度则由1437 m·s-1增大至1868 m·s-1.     

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.     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

Experimental Research on the Propagation Process of Continuous Rotating Detonation Wave

In order to study the propagation mechanism of continuous rotating detonation wave, the H2/air continuous rotating detonation engine ignited by tangentially installed H2/O2 pre-detonation tube is studied experimentally using a tilt slot injector structure. The experimental results show that the stable rotating detonation wave can be gained successfully with the equivalent ratio of 0.93. The propagation frequency and velocity of rotating detonation wave range from 5200 to 5500 Hz and from 1518.5 to 1606.1 m/s, respectively. Three propagation modes, such as rotation, reversal and bifurcation, of detonation wave are vetified through the analysis of propagation mechanism of rotating detonation     

点火能量对两相爆震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的爆燃向爆震转变（DDT）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模型,并开发了数值模拟程序CTPD。通过数值模拟研究了液态燃料爆震波的基本特性,以及点火能量及初始温度对于爆震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震的转变．爆震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。     

压力条件对旋转爆震发动机的影响

为进一步研究旋转爆震发动机的性能,采用9组分19步基元反应模型,忽略黏性、热传导和扩散等输运效应,对以2H2＋O2＋7N2为反应混合物的旋转爆震发动机进行二维模拟,研究入口总压p0和外界反压pb对发动机性能的影响.研究表明,爆震波压力、温度、高度以及出口平面参数（压力、温度、速度）主要受入口总压条件的影响;发动机比冲与压力比（外界反压与入口总压的比值）成反比.     

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...