脉冲爆震外涵加力涡扇发动机总体性能研究

为研究外涵装有脉冲爆震燃烧室(PDC)的混合排气涡扇发动机性能,建立其性能模型。研究了隔离段总压恢复系数和外涵循环参数对PDC特性和整机性能的影响;分析了发动机性能参数对部件参数的敏感性;在相同设计循环参数下与传统加力涡扇发动机性能进行了对比。结果表明：提高隔离段总压恢复系数能够增大PDC增压比,提升发动机性能;风扇压比一定,涵道比增大,发动机耗油率和单位推力增大;风扇压比增大,涵道比在0.2～0.4时,单位推力先增大后减小,涵道比在0.4～0.5时,单位推力先增大后基本不变,涵道比在0.5～0.9时,单位推力一直增大,但增幅逐渐减小。不同涵道比下耗油率随风扇压比增大一直减小;发动机性能对直接影响外涵气流状态参数的部件参数敏感性高;由于PDC的增压特性,脉冲爆震外涵加力发动机仅利用外涵部分气流组织燃烧就可使单位推力与传统加力涡扇发动机相当,且耗油率在设计点降低27.7%,非设计点降低12.8%～26.8%。     

吸气式脉冲爆震发动机反传数值研究

采用小能量点火方法,对吸气式脉冲爆震发动机的反传现象进行了数值研究。获得了反传现象的形成及传播特性。结果表明,吸气式脉冲爆震发动机的反传可以分为压力反传和燃气反传两部分。两者都是由缓燃和回传爆震引起的,回传爆震占主导作用。反传燃气的影响区域小于反传压力,由于尾部膨胀波的作用,反传燃气在一定位置会停止向上游进气道流动。反传压力会一直向进气道上游传播,并且迫使流道内的流体也向上游流动。等截面流道内反传压力减小的速度较慢,应对进气道进行优化设计。     

低温等离子体点火乙炔／空气爆震特性试验

为研究交流驱动低温等离子体点火触发爆震特性,在长1.5 m、内径60 mm的爆震管上,以乙炔为燃料,空气为氧化剂,按分压法配气,通过循环,使爆震管内混气混合均匀,进行气相单次爆震实验.采用交流驱动低温等离子体点火,单次放电时间0.5 ms,放电能量约为0.2 J.在点火的同时,用压力传感器和离子探针同时采集爆震管内的压力波和火焰传播特性.实验表明:交流驱动低温等离子体实现了乙炔/空气点火起爆过程,余气系数0.6及1.0混气产生很强的爆震波,余气系数下降,混气压力下降,爆震波传播速度和峰值压力下降,DDT距离和时间增加;余气系数1.4混气不能产生爆震波.     

脉冲爆震燃烧室与涡轮组合的性能试验研究

采用脉冲爆震燃烧室(PDC)与涡轮增压器组合,汽油和空气作为燃料和氧化剂,进行了PDC与涡轮组合的原理性模型试验装置的试验,研究了作为涡轮负载的压气机的性能随点火频率变化的趋势.试验结果表明:脉冲爆震燃烧室在1～10 Hz点火频率范围内稳定工作,在PDC内得到了充分发展的爆震波;当点火频率为10 Hz时,涡轮带动压气机产生的压气机压比为1.216,压气机功率和压缩等熵功率为2.756 kW和1.663 kW,压气机效率为0.603,与涡轮增压器厂家数据基本吻合;当点火频率增大时,压气机压比、压气机加给每千克空气的功、压气机功率和压缩等熵功率以及压气机效率增大,涡轮做功增大.     

障碍物强化爆震起爆和传播的数值模拟与验证

采用非稳态二维轴对称数值模拟的方法研究了圆环形障碍物对爆震起爆和传播的影响,并通过实验进行了验证。研究表明:爆震形成之前,激波的反射与聚交能够产生高温高压点,并大大提高该区域的反应速率,促成局部能量的快速释放,产生局部爆炸;火焰传播速度与相对于障碍物的位置有关,具有极高的脉动特性;DDT(deflagration to detonation transition)过程中迅速增压是在火焰传播到一定区域后开始,在该区域形成向2个方向传播的压缩波,向未燃区传播的压缩波不断加强形成爆震,向已燃区传播的压缩波称为回传爆震,不断衰减;障碍物导致爆震管中压力温度分布极不均匀,与没有障碍物的爆震管完全不同。     

小能量点火脉冲爆震发动机DDT过程数值模拟

模拟了以小能量点火触发爆震的脉冲爆震发动机工作过程。采用有限速率化学反应模型,通过二阶迎风格式差分逼近二维欧拉方程,模拟以丙烷和空气为可爆混合物的脉冲爆震起爆和传播。采用CFD软件中spark ignition模型模拟实验中电火花塞点火。在模拟过程中可以清楚地观察到DDT过程。通过与CEA程序计算结果比较,发现两者C-J值误差小于4%,说明所采用的计算方法和网格生成方法可以用于小能量点火触发爆震的多循环数值模拟。     

爆震燃烧横向声振现象的机理研究

发展了一种新型低能量(50 mJ)单级起爆系统,在内径为60 mm的脉冲爆震发动机模型上,采用汽油/空气混合物,成功地进行了两相脉冲爆震发动机原理性实验,所测量的爆震波压力接近充分发展的爆震波。通过实验发现,爆震反应区中存在频率范围为10~12 kHz以爆震管内径为特征尺度的横向声振现象。当对爆震波时间-压力曲线进行该频段范围的带阻滤波时,爆震波峰值压力显著降低,说明该横向声振现象对于爆压等特性参数具有较为明显的影响作用。根据爆震波的横向声振机制,提出了在爆燃向爆震转变过程及爆震自持过程中,通过抑止或促进这种横向声振机制来实现对爆震波及其转变过程进行控制的方法。     

进气道喷水对直喷汽油机燃烧排放及爆震影响的数值模拟

为改善汽油机经济性、降低污染物排放,以某1.0L三缸直喷汽油机为基础采用数值模拟的方法,研究了进气道不同喷水位置及喷水量对燃烧、排放以及爆震的影响。结果表明:进气道中部喷水与远离进气门喷水相比燃烧相位提前,峰值缸压略大,氮氧化物(nitrogen oxides,NOx)、一氧化碳(carbonic oxide,CO)排放量较低,碳烟和未燃碳氢化合物(unburned hydrocarbons,UHC)排放量差别较小;接近进气门喷水时燃烧相位延后程度大,峰值缸压低,对爆震的抑制效果较好,NOx、碳烟及CO排放量较低,但UHC排放量大幅增加;远离进气门喷水时,随着喷水量增加,爆震强度降低,但缸内个别区域爆震抑制效果较差,削弱了喷水对爆震的抑制效果。     

舰用旋转爆震发动机

美国海军研究实验室(NRL)计算物理和流体力学部门正在研究利用旋转爆震发动机(RDE)降低燃气轮机燃料消耗的可能性。目前,美国海军舰船上约有430部燃气轮机。这些发动机每年消耗约20亿美元的燃料。若经过旋转爆震发动机技术改造,每年将能降低3亿～4亿美元的燃料成本。NRL的研究人员利用爆震循环代替布雷登循环用于燃气轮机驱动,这是一项极具吸引力的创新技术。该实验室多年来一直处在该项技术的研究前沿,也是开发脉冲爆震发动机(PDE)的主要成员。NRL的研究人员已经利用前期在通用爆震上的研究成果,建立了用于仿真旋转爆震发动机的模型。旋转爆震发动机将能提高     

不同内径两相脉冲爆震模型机爆震波速的试验研究

利用激光喷雾粒度分析仪分别研究了直射喷嘴与气动喷嘴的雾化情况,直射喷嘴的粒度一般比气动喷嘴大2~5倍。结合以汽油、空气为燃料和氧化剂的3种不同管径脉冲爆震模型机多循环试验,发现汽油粒度对模型机的爆震波速有较大的影响,粒度减小,波速增大,但是均低于C-J理论值。3种内径的模型机所测爆震波速差别不明显,说明对于内径较大的模型机来说,内径对波速没有明显的影响。在模型机爆震范围内,当量比对爆震波速的影响不大,爆震波的峰值压力大小与爆震波速之间没有明显的联系。     

带二次流增推尾喷管的脉冲爆震发动机数值模拟研究

为提升现有脉冲爆震发动机增推喷管性能,对带二次流尾喷管发动机分别在定常流和爆震多循环过程进行了数值模拟,研究了二次流尾喷管的流场并计算了其推进性能。结果表明,定常流动中,随着主流压力的升高,注入二次流对尾喷管推进性能的提升幅度逐渐降低;当爆震室内压力很高时,二次流的瞬时流量会自动降低或者停止注入,当爆震室压力较低时,二次流流量又会自动恢复;单管注入二次流对PDE平均推力和平均单位推力的提升率分别达到2.63%和0.36%;双管注入二次流达到5.96%和0.75%。     

装有脉冲爆震主燃烧室的燃气涡轮发动机热力性能计算

建立了用脉冲爆震燃烧室代替传统燃气涡轮发动机主燃烧室的热力性能分析模型,进行了装有脉冲爆震主燃烧室的混合式燃气涡轮发动机与传统燃气涡轮发动机在设计点的工作参数和性能参数的对比与分析,还比较了飞行状态改变时2种发动机性能变化趋势.计算结果表明:与传统燃气涡轮发动机相比,装有脉冲爆震主燃烧室的燃气涡轮发动机的单位推力提高27.1%,单位燃油消耗率降低21.3%;在飞行高度一定的情况下,随着飞行马赫数的增大,混合式发动机的单位推力减小,单位燃油消耗率增大;在飞行马赫数一定的情况下,随着飞行高度的增大,混合式发动机的单位推力增大,单位燃油消耗率降低;若使涡轮前燃气压力相等,则可以减少混合式发动机的压气机和涡轮的级数,减轻发动机的重量,提高发动机的推重比.     

超燃冲压发动机进气道内激波/边界层干扰研究

外界存在多种因素引起隔离段反压增加,将直接影响到进气道内波系的结构和强度,进而影响到因激波诱导而分离的边界层情况．在设计状态下,建立二维的进气道模型,运用RSM湍流模型,对单个超燃冲压发动机进气道隔离段内复杂流场进行数值模拟．得到对应不同反压时,超燃冲压发动机进气道的激波与边界层相互作用情况．研究发现,反压为0时,隔离段内分离区较大,出口马赫数较低,尾部波系较弱,为燃烧室稳定燃烧提供有利条件．随着反压的增加,即使总压恢复系数有所增加,但隔离段尾部的气流稳定性降低．因此,要合理调节隔离段反压大小,以便更好地协调总压损失和尾部气流稳定性的矛盾,对于进气道工作最优化的控制起到一定的参考作用．     

脉冲爆震发动机总压损失系数对推力性能的影响

为了研究脉冲爆震发动机(Pulse Detonation Engine,简称PDE)总压损失系数对推力的影响,采用经验数据和计算相结合的方法,并以直径180 mm,长度为2.2 m,带气动阀的脉冲爆震发动机为例,分别计算了PDE内总压损失系数在5、8、13.5、16、20时对PDE工作频率和推力的影响,并与实验数据进行了对比分析.计算表明;当损失系数从13.5增加到20时,推力下降27.3%;而总压损失系数从13.5减小到5时,推力增加78.8%.因此总压损失系数是PDE优化设计的重要参数.     

基于爆震燃烧的燃气轮机理想热力循环分析

鉴于爆震燃烧具有自增压、传播速度快等优点,提出了将燃气轮机中等压燃烧替换为爆震燃烧的理念,并建立了基于爆震燃烧的燃气轮机理想热力循环模型,对比研究了DCGT(detonation cycle of gas turbine)、Brayton和Humphrey 3种循环燃气轮机的综合性能。在压气机压比、吸热量和透平背压相同的条件下,数据分析结果表明DCGT循环燃气轮机较其他2种循环更具优势,在压比为16时其循环热效率较Brayton循环提高15.4%,燃料消耗率降低13.5%;DCGT循环燃气轮机在压比为6.6时的总体性能与压比为16时的Brayton循环相当。     

海底管道动态压溃时激发压力脉冲特性分析

为研究海底管道压溃及压溃传播过程中压力脉冲场的分布特性,本文建立了深水海底管道动态压溃传播的有限元数值计算模型,采用声固耦合技术模拟了海底管道与周围流体介质的耦合作用,并利用相关实验数据对该有限元模型进行验证。本文通过提取周围流场中压力脉冲的时空分布规律,分析了海底管道压溃传播过程中压溃变形与压力脉冲的耦合特性;讨论了海底管道压溃变形形态传播发生突然翻转时管道周围压力脉冲的分布规律。研究结果表明:该有限元模型可准确预测海底管道的压溃和压溃传播压力以及管道周围压力脉冲的时空分布特性。管道压溃瞬间,管道近壁面周围将产生数倍甚至十倍于管道压溃压力的压力脉冲。海底管道发生翻转型压溃传播时,管道近壁面压力脉冲分布也发生相应的变化。     

受限空间内气体爆炸惰化泄爆实验研究

为研究惰化条件下受限空间内部混合气体爆炸及泄爆过程中的压力变化规律,对侧面带有泄爆口的球形容器在不同惰性气体浓度条件下密闭爆炸及泄爆过程进行了实验研究.结果表明:容器内初始压力越大,气体爆炸压力及压力上升速率越大,且容器内压力峰值与初压呈线性增加;密闭爆炸时惰性气体占甲烷-空气混合气体的比重越高,容器内的最大压力越低,压力上升速率越小,从点火到达最大压力所用的时间越长,容器内的最大压力与惰性气体的体积分数呈近似线性关系;泄爆与惰化联合作用对容器内的压力峰值及压力上升速率影响都较显著,破膜之前压力缓慢上升,破膜之后快速下降;当惰性气体的浓度达到临界体积分数10%时,泄爆膜一打开,容器内的压力立即下降,使非平衡泄爆转化为平衡泄爆.     

气动先导式高压电磁阀的动态特性仿真研究

对先导结构和主阀芯设计为一体的先导式高压电磁阀进行了仿真分析。根据牛顿第二定律建立该电磁阀的运动方程;针对该阀电磁模块的特点,建立电磁铁的动态模型;以固定容积同时充放气模型为基础,建立气隙腔压力变化微分方程;以电磁阀运动方程为基础,运用Matlab/Simulink实现了具有两段位移的先导式高压电磁阀的动态特性仿真分析。仿真结果表明:对电磁阀气路中的气隙腔模块进行优化,可提高先导小孔泄压过程中压力平衡的建立速度,从而提高电磁阀响应速度。     

外涵装有脉冲爆震加力燃烧室的涡扇发动机热力性能分析

在传统涡扇发动机外涵安装12个内径68 mm的脉冲爆震燃烧室(PDCs)作为加力燃烧室,排气方式有2种,即分别排气和混合排气,建立了相应的热力性能分析模型,应用所建立的模型,计算了不同飞行状态下的性能。计算结果表明:在设计点条件下,与分别排气涡扇发动机相比,外涵装有PDCs的分别排气涡扇发动机模型(PS模型)的单位推力(Fs)提高127.6%,混合排气发动机模型(PM模型)的Fs提高74.6%,单位燃油消耗率(sfc)较传统带加力的涡扇发动机低。飞行高度一定随着飞行马赫数的增加,脉冲爆震外涵加力涡扇发动机Fs减小,sfc增加;飞行马赫数一定随着飞行高度的增加,PS模型的Fs减小,sfc增加,而PM模型的Fs缓慢增加,sfc缓慢减小。飞行马赫数、飞行高度均较低时,PS模型的工作性能显示了明显的优越性,而PM模型可以在很宽的工作范围内保持优越且稳定的工作性能。     

微结构光纤中高效反Stokes波产生研究

利用锁模Ti：sapphire振荡器产生的飞秒脉冲,抽运一段无序多芯结构的微结构光纤,获得高效反Stokes波.在输出光谱中测量其峰值高度,为残余抽运光峰值高度的2.86倍.对这一独特现象进行理论分析,认为高效反Stokes波的产生与光纤本身的特性有关.光纤含有两个零色散点,使得与其相位匹配的参量四波混频效应更能有效产生反Stokes波.