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.     

中心锥对液态燃料旋转爆轰发动机工作过程与性能的影响

为分析中心锥对液态燃料旋转爆轰发动机(RDE)工作特性的影响,在环形阵列式RDE上,以汽油/富氧空气为工质,开展了液态燃料RDE实验研究。测量发动机在不同中心锥位置l/L（l为燃烧室内壁面等直段末端与燃烧室外壁面末端的距离,L为燃烧室外壁面长度）和中心锥锥角θ时的一维推力,分析了推力和燃料比冲的变化趋势。实验结果表明：改变l/L和θ未对旋转爆轰波传播模态产生影响,各工况下旋转爆轰波均为双波对撞模态;受预爆轰管切向喷注孔的影响,双波对撞点无法稳定于预爆轰管出口附近;爆轰波传播速度和频率随中心锥位置的前移呈下降趋势,当l/L=0%、θ=20°时,推力和燃料比冲分别为951.6 N和1 151.8 s, 为所有实验工况中最大值;随着l/L或θ增大,爆轰产物轴向膨胀距离变短,中心锥头部突扩位置处膨胀波影响增强,外流场中心锥型面约束作用减弱且高温燃气径向膨胀增强,发动机出口高温燃气轴向分速度逐渐减小,发动机推力和燃料比冲逐渐减小;当l/L>25.5%或θ>40°时,受熄爆再起爆和膨胀波增强影响,发动机推力和燃料比冲下降速率增大。     

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。     

一种摆动喷管的流场和传热特性研究

针对某球窝式摆动喷管,采用两方程k-ε湍流模型,在摆动角度为0°和6°的情况下,对喷管内部流场进行三维数值计算;根据计算的流场,对喷管进行了传热数值模拟.分析了两种不同摆角对喷管内流场和热防护层的传热性能产生的影响.研究结果表明,该型喷管在小范围摆动时,喷管内流场变化较小,喷管入口处的流场发生偏转;喷管外壁面温度变化趋势基本保持一致,内壁面温度存在差异,喷管的热防护性能满足发动机的工作需求.     

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。     

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...     

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。     

脉冲爆轰发动机爆轰噪声场区域划分及其数值模拟

为了探究脉冲爆轰发动机（PDE）爆轰噪声的传播机理,根据爆轰噪声不同的非线性强度,将PDE爆轰噪声传播区域划分成强非线性区、弱非线性区和线性区3个部分,并分别采用不同的方法对各部分所对应的3种不同控制方程进行求解。数值模拟结果表明：爆轰噪声峰值声压级在出口处迅速衰减,随着轴向距离的增加,衰减速度逐渐放缓;在强非线性区,衰减速度最大值可达33 dB/m;在弱非线性区,最小衰减速度为1.02 dB/m. 模拟结果对PDE爆轰噪声的传播特性研究具有参考价值。     

环形燃烧室中凹腔对C2H4/Air旋转爆轰流场影响的数值模拟

为研究环形燃烧室中凹腔对旋转爆轰流场的影响,通过在开源计算流体动力学软件OpenFOAM框架内求解Navier-Stokes方程,对C₂H₄/Air旋转爆轰燃烧室（RDC）进行三维数值模拟研究。保持进气总压为0.6 MPa,分别在总温300 K、600 K和800 K条件下对比同轴圆环形和凹腔基环形两种构型RDC的主要流场特征,研究凹腔对旋转爆轰波传播特性的影响,定量分析不同热释放速率下消耗的燃料占比,对比了不同热释放速率下消耗的燃料比例。结果表明：对于凹腔基环形RDC,在凹腔内存在回流区,导致在凹腔上游流速缓慢,但在凹腔收缩段流动明显加速,RDC出口的面平均马赫数大于与之对应的同轴圆环形RDC;受燃料向RDC出口和凹腔内壁方向侧向膨胀的影响,相对于同轴圆环形RDC,爆轰波在凹腔基环形RDC中传播时具有更高的速度亏损;部分新鲜燃料与燃烧产物在凹腔内混合,提高了爆轰波波前反应物的温度;在相同进气条件下,同轴圆环形RDC以爆轰形式消耗的燃料占比更多。所得研究结果对RDC的结构设计和优化具有一定的指导意义。     

Application of Two-dimensional Viscous CE/SE Method in Calculation of Two-phase Detonation

The method of two-dimensional viscous space-time conservation element and solution element (CE/SE) can be used to calculate the gas-liquid two-phase interior flow field in pulse detonation engine (PDE). In this paper, the evolution of the detonation wave and the distribution of its physical parameters were analyzed. The numerical results show that the change of axial velocity of gas is the same as that of detonation pressure. The larger the liquid droplet radius is, the longer the time to get stable detonation wave is. The calculated results coincide with the experimented results better.     

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...     

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。     

带管道连接的空间中悬浮铝粉尘爆轰波传播数值模拟

为研究悬浮铝粉尘爆轰及效应的问题,采用两相流模型数值研究了铝粉尘与空气当量比为1时,浓度0.304 kg·m~(-3),铝颗粒半径为2.0μm,悬浮铝粉尘爆轰波在通过管道连接的空间内的发展传播过程,用数值模拟得到了爆轰波的点火起爆及爆轰波传播、反射和绕射过程的压力、温度分布。结果表明,在模拟区域左侧的密闭空间中,爆轰波与壁面产生反射形成6.5 MPa局部高压区,而爆轰波与两壁产生的反射波的相互作用会形成18 MPa的局部高压区。爆轰波能通过绕射传播进入管道内,并在接近管道出口处速度能到达1571 m·s~(-1),压力能达到2.85 MPa,接近稳定传播状态。爆轰波通过绕射传播进入右侧空间中,在管道出口处绕射形成对称低压低密度区域,爆轰波压力和爆速下降,在右侧空间内继续传播。计算区域内的爆轰波后大部分区域温度保持在3400 K以上。     

供气方式对脉冲爆轰火箭发动机工作频率影响的试验研究

为了研究不同供气方式对以汽油/空气为推进剂的脉冲爆轰火箭发动机(PDRE)爆轰过程和频率的影响,设计加工了切向进气、切向/轴向混合进气和切向/径向/轴向组合进气的3种进气道装置,分别安装在内径为80 mm的爆轰管上进行试验,成功实现了PDRE的多循环工作.研究表明:增加进气孔数量与合理的设置进气方式,可以提高PDRE工...     

横向射流起爆爆震波二维数值模拟

利用Fluent软件对燃烧室内填充化学恰当比的C8H18/O2预混气体进行直接起爆,并对爆震波衍射和爆震波形成以及发展过程进行数值模拟研究;详细分析了横向射流在不同角度、不同位置条件下直接起爆燃烧室内预混气体后爆震波的传播特性和流场特点.     

DNTF基炸药燃烧转爆轰影响因素实验研究

为了研究二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)基混合炸药燃烧到爆轰转变(DDT)过程的有效调控技术,采用同轴电离探针测量技术研究了点火药量、DDT管壁厚约束、成型方式等对DNTF基混合炸药DDT性能的影响,从DDT管破裂状态、DDT过程不同位置处波阵面速度、诱导爆轰距离等变化对实验结果进行了分析。结果表明,DDT管壁厚约束对DNTF基混合炸药DDT的诱导爆轰距离没有明显影响,都在375 mm左右,但壁厚减小会使爆燃阶段持续时间增加,达到爆轰的初始速度减小到5515 m·s~(-1);点火药量增加对DNTF基混合炸药DDT反应剧烈性没有明显影响,但会减小初始燃烧持续时间和诱导爆轰距离;压制成型试样DDT的初始燃烧持续时间、爆燃持续时间及诱导爆轰距离均大于熔铸成型试样,但反应剧烈性没有差别。