基于环形喷管的脉冲爆轰发动机爆轰声波声学特性

喷管结构对爆轰发动机性能和爆轰声波声学特性具有重要的影响。为探究环形喷管作用下脉冲爆轰声波的声学特性,基于脉冲爆轰发动机搭建了自由空间内爆轰声波实验系统,针对环形喷管作用下爆轰声波时频域特性、声场指向性和持续时间等声学特性进行实验研究。结果表明：在该实验条件下,环形喷管改变了爆轰声波的能量分布,对爆轰声波的声学特性有重要的影响;环形喷管作用下的爆轰声波在0°方向的上升沿持续时间最长;90°方向上峰值声压最高,衰减速度最快,衰减幅度最大;爆轰声波呈现出明显的90°方向凸出的指向性;爆轰强声的A持续时间随着传播角度的增大而逐渐减小。     

基于带源项非结构网格CE/SE方法的PDRE爆轰排气流场中尾喷管特性研究

为了研究非定常两相脉冲爆轰发动机爆轰和排气流场中尾喷管的特性,推导了带源项非结构三角形网格求解元守恒元数值方法(CE/SE方法)的计算格式,应用该方法数值研究了满填充工况下带不同结构尾喷管火箭式脉冲爆轰发动机的内外流场和爆轰推进性能。研究表明:该非结构网格CE/SE方法可有效捕捉变截面管中强间断和复杂波系结构。各类喷管中,含收敛段喷管排气时间增长,气流在收敛段喉部发生壅塞;含扩张段喷管内出现斜激波过膨胀现象。当环境压力为0.1 MPa、填充率为1时,单次爆轰模式下带不同类型喷管的汽油/空气两相脉冲爆轰发动机的推进性能:除40°角扩张喷管外,其他各类喷管在爆轰和排气进程中均能提高发动机的冲量。     

喷管对水下爆轰燃气射流过程影响的数值模拟

为了探究不同喷管构型对水下爆轰燃气射流形态与激波传播过程的影响,基于VOF多相流模型,通过求解二维非稳态雷诺时均Navier-Stokes方程分别对无喷管、加装扩张喷管、收敛喷管的爆轰管水下爆轰过程的内外流场进行二维轴对称数值模拟。研究了喷管构型对水下爆轰过程中形成的透射与反射激波的传播特性、爆轰燃气射流形态演化规律等流场特性的影响。计算结果表明:扩张喷管可以加强向下游传播的透射激波沿轴线方向的指向性,而收敛喷管会减弱透射激波的强度,增强向上游传播的反射激波强度。爆轰燃气泡初期轴向和径向发展速度均随着时间逐渐衰减,喷管对燃气泡的轴向尺度影响较小,但收敛喷管能够显著抑制燃气泡的径向尺度。研究结果可为后续水下爆轰推进的工程化应用提供技术支撑。     

无阀式汽油/空气两相脉冲爆轰发动机试验研究

设计加工了直径为80 mm的无阀式汽油/空气两相脉冲爆轰发动机,在试车台内开展了10～20 Hz工作频率及0.14～0.16 MPa进气压力工况条件下的试验,研究了脉冲爆轰发动机内燃烧转爆轰过程.通过分析动态压力传感器上采集得到的信号,给出了点火开始至爆轰波形成时间在不同工况下的变化情况.结果表明,脉冲爆轰发动机可以在10～20 Hz工作频率下稳定工作;增大进气压力与提高爆轰发动机工作频率,有助于燃烧转爆轰的形成.研究结果为脉冲爆轰发动机燃烧转爆轰机理以及设计运行提供了参考.     

气-液两相多循环爆轰声场特性

多循环爆轰与单次爆轰所对应形成的爆轰声场存在明显区别,燃气射流对于多循环爆轰声场特征具有重要影响,为此开展了气-液两相多循环爆轰声场独特的指向性与时频域特性研究。在自由空间内搭建了基于80 mm直径爆轰管的单次和多循环爆轰实验系统并进行了测试分析。结果表明：多循环爆轰声场指向性呈现“心”形,最大值出现在45°方向,辐射角度30°范围内爆轰声场高频截止频率约为500 Hz;射流区域内燃气湍流抑制了45°辐射角度内爆轰声波高频成分,明显减小了爆轰声波峰值声压级;燃气射流使得前导激波波阵面在中心轴线附近会产生“葫芦状”凸起,导致轴向0°方向爆轰声波到达时间明显小于其他方向;较短的脉冲作用时间导致多循环爆轰声效率高于传统射流声效率,达到12%。实验验证了燃气射流区域尺寸、辐射角度与多循环爆轰声场声波高频截止频率之间的相互关系。     

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%。     

爆轰波在变截面突扩管道中的传播特性研究

为了研究截面突扩结构对脉冲爆轰发动机推进性能的影响,需明确粘性对气液两相爆轰波在突扩管道内传播的影响。采用二维粘性CE/SE方法对爆轰波从小管径进入突然扩张的大管径爆轰管的汽油/空气两相爆轰过程进行数值仿真,研究了爆轰波进入二维突扩管后的传播及压强等一系列参数的变化规律及原因。结果表明:爆轰波进入突扩管道后会在拐点位置产生涡流并伴随熄爆的现象,马赫反射的形成将导致高温高压区的形成,使得球形波阵面被抹平,最终再次形成稳定的爆轰波;对于不同管径的突扩段,管径越大,形成马赫杆时的位置越靠后且压力越大;点火强度的改变对稳定爆轰波形成位置及大小的影响较小。     

PDE点火室内凝胶汽油雾化特性的试验研究

为了研究凝胶汽油在脉冲爆轰发动机内的雾化特性,采用马尔文粒度仪测试了脉冲爆轰发动机点火室内雾化液滴的索太尔平均直径。为了降低爆轰管内雾化液滴粒径,设计了挡风凹腔结构。试验表明:在未加装挡风凹腔时,脉冲爆轰发动机气源供气压力越大,雾化液滴索太尔平均直径越大; 挡风凹腔可有效改善空气供气压力对撞击式雾化的不利影响,在加装挡风凹腔后,脉冲爆轰发动机气源供气压力越大,雾化后的液滴索太尔平均直径越小; 挡风凹腔结构尺寸越小,凝胶汽油雾化液滴索太尔平均直径越小。     

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。     

脉冲爆震发动机内轴对称压力场研究

为了研究脉冲爆震发动机内压力波系的特点,推导了二维时空守恒元与求解元(CE/SE)方法,将该方法用于无喷管和带收敛扩张喷管2种脉冲爆震发动机内流场的计算中.计算结果表明,脉冲爆震发动机由于爆震波的存在使其内压力出现强问断;带收敛扩张喷管的脉冲爆震发动机由于喷管的存在,发动机内压力场由爆震波及其后产生的一系列反射压缩渡和膨胀波相互作用、相互叠加而成.计算结果对脉冲爆震发动机的机理及流场特性研究具有重要的参考价值.     

一种考虑燃气性质变化的喷管型面优化方法

空间火箭发动机喷管具有大面积比,提高其性能是发动机设计的目标之一。以Rao方法为基础,提出一种考虑真实燃气性质变化的喷管扩张段设计修正方法。以某远地点发动机为研究对象,给出了Rao方法设计的初始喷管型面,计算了燃气比热函数,设计了新的喷管扩张段型面。通过数值仿真对比了新型面与初始型面的真空比冲。仿真结果表明：所提出的计算燃气比热容方法可有效用于喷管流场仿真;燃气比热变化对扩张段型面的影响较大,对于具有相同长度的喷管,当考虑燃气比热变化时,扩张段型面出口面积比较小,真空比冲提高,但幅度小于1 s;对于推力不太大的空间发动机,边界层厚度修正带来的性能增益很小。     

脉动喷气发动机噪声特性研究

为了研究脉动喷气发动机噪声特性,搭建了Helmholtz型脉动喷气发动机噪声试验测试系统。对不同管长的脉动喷气发动机管外,不同距离、不同角度处发动机噪声进行了测量。试验结果表明：脉动喷气发动机噪声呈现周期性、低频性的特点;脉动喷气发动机噪声基频由其工作频率决定,噪声的基频成分对总噪声的贡献值最大;随着传播距离的增加,脉动喷气发动机噪声声压级逐渐减小,其衰减幅度略大于球面波衰减规律,不同角度处的噪声衰减规律几乎一致;不同传播距离处的噪声呈现出相同的轴向指向性;随着脉动喷气发动机尾喷管长度的增加,其噪声声压级及基频均随之降低,但尾喷管长度的增加对其噪声指向性没有影响。     

中心锥鳞片阀吸气式脉冲爆轰发动机推力试验研究

为提高吸气式脉冲爆轰发动机的推力,进行了中心锥鳞片阀与中心锥钝体阀吸气式脉冲爆轰发动机（PDE）的对比试验研究,并对多循环吸气式脉冲爆轰发动机工作过程的受力状况进行分析。研究结果表明：采用压电式力传感器能准确测量多循环吸气式脉冲爆轰发动机的平均推力;在10 Hz相同工况下,中心锥鳞片阀吸气式PDE的平均推力是中心锥钝体阀吸气式PDE平均推力的2.05倍。研究结果对多循环吸气式PDE推力的直接测量以及提高吸气式PDE的推进性能具有重要意义。     

导流槽和混合比对发动机喷流噪声特性影响实验研究

为分析研究火箭发动机喷流噪声特性的影响因素,设计了火箭发动机喷流噪声实验系统;采用BK数据采集系统及噪声处理软件进行噪声数据的采集和分析,研究发动机混合比以及导流槽对火箭发动机喷流噪声特性的影响。结果表明:随着发动机混合比的上升,发动机从富燃燃烧状态转换到富氧燃烧状态,噪声声压级降低;导流槽对喷流噪声有遮蔽作用,且随着导流槽距喷管出口距离的增大,遮蔽作用下降,噪声声压级上升。