两相爆震波爆燃向爆震转变过程的数值模拟

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表达,并开发了数值模拟程序CT-PD,其中气体动力学方程采用显式Sαγ,β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震波在爆震管内发生、发展、传播及其特性参数变化特点。研究发现在两相爆震中,由于油滴蒸发吸热及阻力作用,致使爆震波峰值压力及爆震波速等特性参数低于理论值。研究中将数值模拟结果与实验波形进行了比较,发现两者符合良好,说明计算方法是可行的。

U型方管中爆燃向爆震转变特性实验研究

以脉冲爆震发动机(PDE)用曲管爆震燃烧室为应用背景,对气相(乙烯/空气)燃烧波在U型方管实验器中的传播过程进行了实验研究。通过改变实验器中弯曲段进口气流入射激波强度,基于弯曲段内压力、波速的测量及高速摄影实验得到了U型方管实验器中半圆型弯段内的爆燃向爆震转变(DDT)特性。结果表明,弯曲段中DDT特性受到入射激波速度的影响:当入射激波速度小于794m/s(43.6%VCJ,VCJ为理论Chapman-Jouguet爆震波速),在弯曲段内不能形成爆震;当入射激波速度介于870~908m/s(47.8%VCJ^50.0%VCJ)之间,弯曲段内首先会产生局部爆炸,并最终形成爆震;当入射激波速度大于934m/s(51.3%VCJ),爆燃波可以直接在弯曲段入口转化为爆震波。

弯曲方管内爆燃向爆震转变特性

为缩短爆震管轴向尺寸,采用曲管爆震管替代直管爆震管.基于弯曲方管实验器,进行了二维数值仿真计算,研究了点火位置、点火能量及弯曲段曲率半径对爆震波形成及传播的影响规律.数值模拟结果表明:爆燃向爆震转变(DDT)时间随弯曲段曲率半径增大而减小,DDT距离在弯曲段曲率半径最大时达到最小值;点火能量越大,爆震管内激波强度越大,DDT时间越小;在距离爆震管进口300mm处点火时,爆震管内爆震波压力峰值最大,DDT时间最短.

火焰加速和爆燃向爆震转变过程的数值模拟及试验验证

为了研究火焰加速现象、爆燃向爆震转变和不稳定爆震向稳定爆震的转变过程,对带环形孔板的爆震室进行了数值模拟.研究发现用较低的点火能量对爆震室中的燃料和氧化剂点火产生层流火焰,在孔板的阻碍作用和火焰诱导激波以及反射波的加速作用下,经过几个孔板的阻碍加强作用,在火焰和强激波之间的未燃物中形成爆炸中心,最终引爆未燃混气.同时对爆炸波向稳定爆震转变过程中遇到孔板产生三波点,以及马赫波向入射波转变的全过程进行了分析;对不同燃料在不同当量比下的起爆距离进行了研究,并与试验结果进行了对比.通过分析,对火焰加速和爆燃向爆震转变的过程有了更加全面的认识,为进一步试验提供了参考.

环形通道内预混火焰爆燃向爆震转变实验研究

为理解脉冲爆震曲管燃烧室和旋转爆震燃烧室中的爆燃转爆震过程。本文以乙炔-富氧空气为可爆混合物,基于高速阴影技术,实验研究了不同曲率环道中的火焰加速及爆震转变过程。发现:环道曲率增大会显著缩短火焰加速距离,环道外壁与火焰面之间狭长未反应区的自点火和凹面腔的激波聚焦效应是主要的爆震触发机制。前导激波速度在外壁达到1150 m/s即可触发爆震,曲率越大,爆震触发时的火焰传播速度越小。初始的火焰拉伸过程可以促进火焰加速。

液体燃料脉冲爆震发动机点火方法研究

目前脉冲爆震发动机的起爆主要采用爆燃向爆震转变的方式实现,而爆燃波发展缓慢,消耗了循环周期的很长一段时间。为缩短爆燃向爆震转变的时间和距离,本文研究了一种新型蒸发管点火系统,用蒸发管对两相混合物进行预蒸发,在预燃室内点火形成火焰射流进入主爆震室,实现主爆震室内两相混合物的快速短距离起爆。热态实验在内径120mm,长2500mm的爆震室上进行。与火花塞直接在主爆震室点火相比起爆时间可以从12.5ms缩短到2～3ms,起爆距离可以从1350mm缩短到775mm。预燃室长度和个数对起爆过程也具有非常明显的影响,长度和个数的增加都有利于爆震波的起爆。

当量比对于两相爆震波形成影响的数值研究

对于爆震管中液态辛烷/空气两相混合物的爆燃向爆震转变(DDT)过程进行了数值模拟,建立了对该现象的数学表达,并开发了数值计算程序CTPD。通过数值模拟研究了液态燃料爆震波的基本特性,以及部分预蒸发及液滴数量对于爆震波结构与发展的影响作用。计算结果表明,爆震管中存在一定量预蒸发燃油蒸气有利于促进爆震波的形成,相反,燃油液滴对爆震波的形成则起到一定的抑制作用,液滴数量的增加将会延长由爆燃向爆震转变的过程。研究中计算结果与实验波形符合良好,说明为包括DDT现象在内的脉冲爆震发动机工作过程提供了一种可行的计算方法。

火焰聚心和激波聚焦诱导爆震波

对几种不同结构形式的爆震发生器进行了数值模拟,来研究激波聚焦和火焰聚心现象、气动特性及其机理。数值计算采用多组分理想气体详细的化学反应机理、二维轴对称非定常流动Navier-Stokes方程来模拟流体动力学和化学动力学过程。数值计算发现用较低的点火能量对射流火焰燃烧器中可燃混合物点火,层流火焰在狭窄管壁作用下加速,射流火焰在轴线上汇聚过程,有利于激波的加强。强激波加速火焰,在多重激波与火焰反复作用下,激波和火焰面之间出现热点,热点迅速放大并形成压力很高的过驱爆震波,而后衰减为稳定的爆震波,不同的激波聚焦腔爆震波的形成过程不同。对数值计算的结果分析得出了起爆距离和稳定爆震距离,为进一步试验提供参考。

爆震波形成过程试验研究

对三种不同结构(小环形、大环形、圆形)的爆震室进行不同参数的爆震试验,研究爆震波的形成过程。发现小环形爆震室在可燃混合物当量比φ≥1.1、大环形爆震室和圆形爆震室均在当量比φ=1.2时,无论有无孔板,爆震波都会在爆震室封闭端附近形成。预燃室环形聚心火焰点火方式,集预燃室两步起爆法、环形火焰聚心和激波聚焦原理、弯管加速火焰法于一体的点火起爆方式,加速了爆震波的形成过程。

新型凹入式螺旋结构增爆器的实验研究

本实验以脉冲爆震火箭发动机(简称PDREs)系统为实验平台,以液态航空煤油作为燃料,以压缩氧气作为氧化剂,以压缩氮气作为隔离气,分别对安装三种不同截面形式(半圆形、方形、三角形)的凹入式螺旋结构增爆器以及作为基准的Shchelkin螺旋结构增爆器进行了实验研究。实验结果表明,三种不同截面的凹入式增爆器均能有效强化爆燃向爆震转变(DDT)过程,在长径比为12.17的增爆器中均获得了充分发展的爆震波,实现了成功起爆。在流阻损失方面,半圆形凹入式螺旋结构表现出了最好的性能,其推力比Shchelkin螺旋的基准推力高出12个百分点。在多次实验过程中发现,凹入式螺旋结构比Shchelkin螺旋结构更不易烧蚀,工作可靠性更高。

高温来流下U型脉冲爆震燃烧室燃烧特性试验

为了获得高温来流下气/液两相多循环U型脉冲爆震燃烧室(U⁃PDC)的燃烧特性,使用汽油/空气为燃料和氧化剂开展了相关试验研究。结果表明:当来流温度为373 K,U⁃PDC能够在15~38 Hz范围内稳定工作,且随着工作频率提高爆燃向爆震转变(DDT)距离缩短;在室温条件下、工作频率为15~25 Hz时,未能形成充分发展爆震波,表明高温来流可促进DDT过程。在室温条件下、工作频率为15~25 Hz时,由于U型爆震弯段内可燃混气分布不均匀,U型爆震弯段外侧监测到火焰的时间晚于U型弯段出口,当来流温度升至373 K后该现象明显改善。此外,U⁃PDC的点火起爆时间在3~10 ms内,且点火延迟时间是影响点火起爆时间的主要因素;U⁃PDC工作频率相同、来流温度从室温升高至373 K或来流温度相同、U⁃PDC工作频率提高时,波速随之提高,点火起爆时间缩短。

环形爆震室中火焰加速数值模拟及验证

对带不同数量孔板的环形爆震室进行数值模拟,并通过试验对数值计算进行验证,来研究火焰加速现象、爆燃向爆震转变过程和不同当量比下起爆距离.数值计算采用二维轴对称非定常Navier-Stokes方程来模拟流体动力学过程.研究发现用较低的点火能量对火焰混合区的可燃气点火产生低速火焰,低速火焰向环形爆震室射流并改变方向向出口传播,火焰在孔板的阻碍作用以及火焰诱导激波和反射波的加速作用下,由层流变为湍流,湍流火焰与其诱导激波相互加强,最终引爆未燃混气;还对爆震波在孔板区的传播过程进行了分析,对不同当量比下的火焰速度和起爆距离进行了模拟研究.

螺旋脉冲爆震室实验

为缩短脉冲爆震室轴向长度以及爆燃向爆震转变距离,设计加工了螺旋脉冲爆震室,采用液态汽油为燃料,空气为氧化剂,进行了一系列实验.在实验过程中,对比研究了常规直管脉冲爆震室以及螺旋脉冲爆震室的爆燃向爆震转变性能;并分析研究了螺旋脉冲爆震室多循环工作特性.结果表明：与直管脉冲爆震室相比,螺旋脉冲爆震室爆燃向爆震转变距离至少缩短了约11.2%;螺旋脉冲爆震室可以在5-20Hz频率下稳定工作;螺旋脉冲爆震室设计方案可行.

间接起爆对脉冲爆震发动机热效率影响

建立了基于整个燃烧室内经历不同燃烧方式下所有工质来评估脉冲爆发动机平均循环热效率的方法,通过二维数值方法对两种采用不同数目障碍物的爆震管模型的起爆特性及循环热效率进行了研究,并分析了燃烧波传播的距离与DDT距离之比(定义为ξ)对模型热效率的影响.结果表明:1间接起爆方式及不同DDT强化装置都会影响系统的循环热效率;2就计算模型,当ξ接近1时,其系统平均循环热效率仅为理想爆震循环热效率的60%左右;3随着ξ的增加,间接起爆方式的影响迅速减弱;4当ξ为1.5时,系统平均循环热效率可达爆震燃烧热效率的93%.

球形点火腔对脉冲爆震DDT过程影响的数值研究

为了减小脉冲爆震发动机PDE(pulse detonation engine)单次循环时间,缩短爆燃向爆震转变DDT(deflagration to detonation transition)距离是关键.为此,提出了一种在头部添加球形点火腔的新型爆震管道结构设计方案,并采用丙烷和空气为可爆混合物,通过对新型爆震管DDT过程的二维数值模拟,研究其对DDT距离以及DDT时间的影响.数值模拟结果表明,头部采用球形点火腔后,点火腔中的压缩波经过多次反射后,能够在爆震管中更快地促使爆震波形成,DDT距离大大缩短;当球形点火腔直径为1.5倍等直爆震管直径时,相对于常规等直管爆震管结构,其DDT距离和过程时间分别减少了14%和16.26%.

DETONATION INITIATION INDUCED BY FLAME IMPLOSION AND SHOCK WAVE FOCUSING

Computational simulations on structurally different detonation generator are carried out to study the phenomena,the mechanism and the gas dynamics characteristics of flame implosion and shock wave focusing.Two-dimensional axisymmetric and unsteady Navier-Stokes equations are numerically solved and detailed chemical reaction kinetics of hydrogen/air mixture is used.The simulation results show that the laminar flame generated by low energy spark in the jet flame burner is accelerated under the narrow channel,the jet flame impinging on the axis strengthens shock wave and the shock wave enhances flame acceleration.Under the function of multiple shock waves and flame,a number of hot spots appear between the wave and the surface.The spots enlarge rapidly,thus forming an over-drive detonation with high pressure,and then declining to stable detonation.Through calculation and analysis,the length of detonation initiation and stable detonation are obtained,thus providing the useful information for further experimental investigations.