两级脉冲爆震发动机的理想热力循环及性能分析

为研究两级脉冲爆震发动机的性能,以Brayton循环和理想爆震循环为基础,建立和分析了两级脉冲爆震发动机的理想热力循环,利用CEA软件计算了富油燃烧产物及其组分随当量比的变化。计算分析表明,两级脉冲爆震发动机理想循环的热效率和单位推力介于Brayton循环和理想爆震循环之间,且随第一级放热比增大而减小;为得到最多的氢气和一氧化碳,第一级富油燃烧当量比应在2.6～2.8;由于燃烧反应不能完全进行和离解反应的存在,使得第一级富油燃烧的放热量减少,循环热效率增加。

补油距离和燃油配比对两级脉冲爆震发动机预燃裂解的影响

两级脉冲爆震发动机中,预燃室内煤油预燃裂解的效果对共振腔内起爆效果和可靠性有重要影响。基于稳态扩散火焰面模型,对预燃室中煤油预燃裂解的效果进行了数值仿真,讨论了补油距离d和燃油配比R对预燃裂解效果的影响,以期为进一步的预燃室设计和实验研究提供参考。计算结果表明:补油距离d主要通过影响反应物的驻留时间来影响反应产物的生成,d越大,第二级喷油位置距离预燃室出口越近,驻留时间越短,各主要活性组分产量越低;燃油配比R则同时影响预燃室内的温度和反应物的驻留时间,R越大,各主要活性组分含量越低;温度过高时不利于较稳定的活性组分产生。由此建议补油喷嘴应尽量远离预燃室出口,最佳燃油配比为3~5。

数控两级式气动发动机进排气管路系统设计与试验

数控两级式气动发动机是以压缩空气等为动力源,通过其膨胀做功,将压力能转化成机械能的动力装置。进排气管路系统是两级式气动发动机的重要组成部分,直接影响到两级式气动发动机的工作性能及气体消耗率。文中通过某一数控两级式气动发动机进排气管路系统的设计和试验,介绍了该两级式气动发动机的结构特点,分析了最高转速为1 000 r/min时对一、二级汽缸进气管道口径大小的影响,讨论了高频电磁阀最小流通截面和工作频率的要求等,从而确保了对进气量的精准控制,降低了气体消耗率,使两级式气动发动机能够稳定运转,并给出了气动发动机进排气管路系统设计的一般要求、方法和应考虑的问题。

两级脉冲爆震发动机防止压力和温度反传研究

为解决两级脉冲爆震发动机中压力和温度反传的问题,提出了2种不同结构形式的射流喷管:倒板结构射流喷管和倒台结构射流喷管。以H_2/O_2/N_2混合气为介质,对不同倒板或倒台层数情况下激波聚焦起爆爆震过程进行了数值模拟,并揭示其影响规律。结果表明:倒板层数为3层、4层时成功起爆爆震,倒台层数为3层、4层、5层时成功起爆爆震;倒板或倒台层数为4层时激波聚焦起爆效果最好,且在降低反传压力和温度方面效果相对较好;实际上倒板或倒台对防止压力和温度反传的作用较为有限。

两级脉冲爆震发动机研究现状

为了提高脉冲爆震发动机的工作频率,两级脉冲爆震发动机模型被提出。该新型发动机点火原理采用激波谐振聚焦点火方式,具有很高的点火及工作频率,许多专家学者对此进行了实验研究和数值模拟,但由于谐振腔内的物理过程非常复杂,到目前为止没有一套可靠的理论,有待于进一步研究。

两级脉冲爆震发动机激波聚焦起爆数值模拟

通过数值模拟手段,针对两级脉冲爆震发动机(PDE)激波聚焦点火起爆及周期性脉冲爆震进行了详细计算.结果表明:激波汇聚会在发动机内产生两个高温高压区域,且后者压力温度远高于前者,为点火关键.针对起爆失败的工况,提高温度、压力、马赫数3个条件中的任何一个都能成功起爆.通过全场周期性脉冲计算得知,保证成功点火起爆的前提下仍需要调整合适的参数才能维持稳定的周期性脉冲,发动机在入口温度600K,马赫数为2.0,压力为150kPa工况时能够产生稳定的周期性脉冲爆震,频率在300Hz附近.

基于捷联导引头的比例导引制导律设计

捷联导引头不能直接测量视线角速率信号,进而无法直接利用比例导引进行制导。采取两级发动机助推模式并结合坐标变换得到比例导引所需的惯性视线角速度来进行制导。建立带重力补偿的战术导弹数学模型,两级发动机分别给予不同的约束。通过坐标变换将能够直接测量到的弹体视线角以及姿态信息转换成惯性视线角速度信号。仿真结果验证,通过该方法实现捷联方式下的比例导引是可行的。

尾喷管对2-stage PDE性能影响的数值模拟

为研究尾喷管长度和扩张角度对两级脉冲爆震发动机凹面腔内激波会聚起爆及推力性能的影响,选取了一系列不同尾喷管长度和扩张角度的2-stage PDE模型进行数值模拟。单次爆震结果表明,尾喷管长度和扩张角度对2-stage PDE凹面腔中的射流碰撞和起爆过程影响很小。凹面腔的壁面压力和单位面积冲量随尾喷管长度增大而增加,且在较长形式的尾喷管中会出现多次激波相交和会聚,但是频率随尾喷管长度增大而减小。尾喷管壁面压力和冲量的轴向分量随扩张角度增大,凹面腔内的激波会聚和起爆频率不变。考虑凹面腔和尾喷管的综合作用,带有45°扩张角的尾喷管的2-stage PDE性能最好。

凹面腔内二维激波会聚特性研究

为了研究凹面腔内二维激波会聚的特性,设计、建立了二维激波会聚冷态实验系统,进行了二维激波会聚冷态实验,结果表明:当射流入口宽度增大时,相同射流入射压力下,喷入凹面腔内的射流强度增大,导致凹面腔内的激波会聚强度增强,从而压力脉动幅值增大,频率也随之增大。数值模拟了二维冷态激波会聚过程,从模拟结果中的压力和频率上看,模拟结果与实验结果基本上是吻合的。

凹面腔尺寸和曲率对激波会聚起爆的影响分析

为了研究凹面腔构型对环形射流聚心碰撞产生激波会聚起爆爆震的影响及作用规律,本文以氢气和空气混合物为例,对不同尺寸和曲率的凹面腔内激波会聚起爆爆震过程进行了数值模拟,结果表明,在凹面腔尺寸的选择上,要同时考虑射流强度和凹面腔空间对入射激波造成的衰减作用,平衡两者,从而选择出合适的凹面腔。凹面腔曲率既不能太大,也不能太小。本文算例中,直径为74mm,开口直径为70mm的部分球形凹面腔起爆性能最优。

入射压力对连续超声速射流对撞的影响

为了研究连续超声速射流入射压力对射流对撞的影响规律,以空气为介质开展了不同入射压力下自由空间内连续超声速射流对撞的实验和数值模拟,对比分析了射流对撞中心的动态压力和辐射噪声。结果表明:随着射流入射压力的增大,射流对撞的动态压力幅值逐渐增大,频率也逐渐增大,同时射流对撞引起的啸叫频率逐渐增大;增大射流入射压力有利于提高射流对撞效果。

凹面腔内的激波会聚冷态实验

为研究两级脉冲爆震发动机中激波聚焦起爆技术,研制了激波会聚起爆原理样机,建立了整套实验系统.利用三维激波会聚起爆原理样机,开展了导流角度、气流出口面积、尾喷管扩张角、凹面腔与射流入口间距离等对凹面腔内气动振荡频率和压力影响的冷态实验研究.结果表明:导流角增大,气动振荡频率增大;气流出口面积减小,气动振荡频率增大,凹面腔底部动态压力脉动幅值增大;喷管扩张角度增大,气动振荡频率数目增多;随着凹面腔与环形射流入口间的距离L增长,气动振荡频率降低,凹面腔底部动态压力脉动幅值降低.

当量比和射流压力对激波聚焦起爆性能的影响

为研究当量比和射流压力对激波聚焦起爆性能的影响，以氢气和空气作为工质，在不同当量比和射流压力下对凹面腔中激波聚焦起爆爆震波的过程进行了数值模拟。结果表明，在产生稳定爆震的当量比范围内，激波聚焦的起爆性能随当量比的增大先提高，后降低，在当量比1．1时取得最佳值。射流压力的增大能提高激波聚焦的起爆性能，但提高程度呈下降趋势；它同时有助于扩大产生稳定爆震的当量比范围，计算表明在入口射流压力1．350、0．950、0．550MPa条件下产生稳定爆震的当量比分别为0．4～5．2、0．5～4．7、0．5～3．9。

导流块深度对楔形空腔内激波聚焦过程的影响

为研究导流块深度对楔形空腔内径向入射激波聚焦过程的影响,对导流块深度分别为0、5、10、15mm的楔形空腔内激波聚焦的过程开展了实验和数值模拟研究。用高速CCD(charge coupled device)拍摄了楔形空腔中气流流动的纹影照片,用动态压力传感器测量了聚焦过程中流场的压力变化,并用高精度的数值方法对该过程进行了数值模拟研究。通过比较不同导流块深度下激波反射聚焦的过程发现:导流块深度越深,前导激波和压缩波两者聚焦的时间间隔越小,因此增大了激波聚焦的强度和空腔底部的压力峰值。导流块深度会影响二次激波形成的时间和发展程度,从而影响激波聚焦过程中楔形空腔内流场的紊乱程度。

导流角对激波聚焦起爆爆震的影响

为研究两级脉冲爆震发动机环形射流入口导流角对激波聚焦起爆爆震的影响,以H_2/O_2/N_2混合气为介质,对不同导流角下激波聚焦起爆爆震的过程进行了数值模拟,并开展导流角对激波聚焦起爆爆震影响的冷态实验,共同揭示其影响规律。结果表明:导流角越大,射流碰撞压力和温度越高,碰撞时间提前,更容易起爆爆震,但激波聚焦时间在导流角大于11°时基本不变;导流角越大,凹面腔内气流振荡频率越大,凹面腔底部的动压幅值越小。