变工况下连续旋转爆轰发动机模态转换研究

采用数值模拟方法分析了来流工况变化对连续旋转爆轰发动机(rotating detonation engine,RDE)工作模态的影响。研究发现,随着进气总压的下降,流量将迅速减小,旋转爆轰波可以首先通过调整波头高度和传播速度来匹配新的工况,维持稳定传播;如果进气总压下降幅度较大,旋转爆轰波只能通过调整流场中波面的数目才能匹配新的工况,此时RDE将发生自适应性的工作模态转换。研究中验证了稳定阶段旋转爆轰波特征参数(波面数目、传播速度以及波头高度)与燃烧室几何尺寸、工况(流量)之间需要满足的近似匹配关系式,用于解释RDE的工作模态转换过程及变化规律。

连续旋转爆震波细致结构及自持机理

基于化学非平衡流解耦方法和详细化学反应机理,在0.1mm的网格尺度下对连续旋转爆震波内流场和爆震波平掠惰性气体界面的传播过程进行了数值模拟。详细分析了连续旋转爆震波的空间结构,由于在出口侧无几何约束,受一系列稀疏波的影响,旋转爆震波强度受到不同程度的削弱,形状也发生了相应的变化。爆震波平掠惰性气体界面时的流场分布与连续旋转爆震波结构极为类似,对比研究了波前可燃气体层高度对爆震波结构和传播过程的影响,当爆震波高度较小时,其抵御惰性气体侧稀疏波衰减的能力弱,波阵面严重变形,爆震波解耦。若爆震波要稳定自持传播,其必须要达到一定的临界高度来抵御稀疏波的影响。

H_2/Air连续旋转爆震波的起爆及传播过程试验

在环缝-喷孔对撞式喷注模型发动机上,采用H2/O2热射流切向喷注的起爆方式,进行了H2/Air组合的连续旋转爆震试验,试验成功起爆并实现了爆震波的持续旋转传播。切向喷注的热射流并没有直接诱导形成旋转爆震波,从点火到形成稳定传播的旋转爆震波之间存在时间间隔。对高频信号的时频分析结果表明,在该试验工况下,旋转爆震波的传播过程非常稳定,其传播频率为5.5～5.95 kHz,平均传播频率为5.75 kHz,对应的平均传播速度为1716.4m/s,为理论预测值的91.14%。在没有测量高频压力的情况下开展了长程试验,结果表明,连续旋转爆震波也可以在更长的时间范围内稳定工作。

连续旋转爆震波传播过程研究(Ⅱ):双波对撞传播模式

在喷孔-喷孔和环缝-喷孔对撞式喷注模型发动机上,采用H2/O2热射流切向喷注的起爆方式进行了H2/air组合的连续旋转爆震试验,根据高频压力测量和高速摄影观测结果对爆震波传播过程进行了分析。试验发现了短暂的和可长时间维持的双波对撞传播现象,在该传播模式下燃烧室内存在两个爆震波头,但传播方向相反,周期性发生对撞,其高频压力振荡特征跟测压点距对撞点的夹角相关。初步分析了双波对撞传播过程的形成机制,认为在爆震波顶部能否形成混合气体层是实现该传播模式的关键。

连续旋转爆震波传播过程研究(Ⅰ):同向传播模式

通过改变空气、氢气质量流量,在大工况范围内开展了H2/Air连续旋转爆震试验,结合高频压力测量和高速摄影观测手段,重点分析了同向传播模式下的爆震波传播过程.在该模式下爆震波头个数随推进剂总流量的增大而增多,但同一时刻所有爆震波头的传播方向相同.试验发现了单波、混合单/双波、双波三种连续旋转爆震波传播模态,三种模态分别对应一定的试验工况范围.单波模态下的爆震波传播主频为5.05～5.8kHz,平均传播速度为1510 ～1735m/s;双波模态下的爆震波传播主频为8.6～9.9kHz,平均传播速度为1280 ～1480m/s;而在混合单/双波模态下,在试验过程中爆震波头个数会发生变化.当试验工况位于工况范围中间时,单、双波模态下的爆震波传播过程比较稳定,不会改变传播方向;而当试验工况位于工况范围边界时,发现了连续旋转爆震波改变传播方向的现象.

连续旋转式寻北仪的寻北算法及信号处理

研究一种连续旋转式寻北仪.推导了该寻北仪在无姿态下的寻北解算公式.为了提高系统的寻北精度,对其干扰源进行了分析,采集了陀螺和加速度计的信号,根据其信号特点提出了基于快速傅里叶变换(FFT)的滤波方法,应用该方法对陀螺单次寻北数据进行了滤波,并与原始数据作了比较.在此基础上提出了对多次寻北结果采用多周期平均的数据处理方法.实验结果表明,系统在精确调平状态下寻北340s即可达到0.0083°的寻北精度.

H_2/Air连续旋转爆震发动机推力测试(I)单波模态下的推力

在环缝-喷孔对撞式喷射的连续旋转爆震模型发动机上,以H2/Air为工质,对连续旋转爆震波以单波模态稳定自持的典型波形特征和时域、频域特征进行了研究。直接测量了模型发动机工作在该模态下产生的一维推力,讨论了比冲等推进性能。试验结果表明:出口背压为大气压时,在空气流量253 g·s-1,氢气流量6.15 g·s-1,当量比为0.834的工况下,模型发动机以平均传播频率5.5563 k Hz、平均传播速度1658.3 m·s-1的单波模态稳定工作360 ms。产生可靠的有效推力约为183.7 N。以火箭模式计算,有效排气速度为708.9 m·s-1,总比冲为72.34 s;以冲压模式计算,有效排气速度(氢气消耗率)为29870 m·s-1,燃料比冲为3048 s,消耗的氢气的单位面积质量流率为4122 g·m-2·s-1,单位推力为726 m·s-1。推力曲线的面积积分表明旋转爆震模型发动机所提供的推力比较稳定;微观来看,推力波形与爆震波高频压力波形耦合,围绕推力平均值振荡。

高总温来流下的连续旋转爆震验证试验

为验证吸气式连续旋转爆震推进的可行性,在直连式试验台上开展了连续旋转爆震试验。采用三组元空气加热器模拟吸气式推进时的高总温来流,其设计流量600g/s,总温860K。采用热射流切向喷注的方法成功起爆了H2/air连续旋转爆震波,并实现了稳定自持传播。在H2/air当量比为0.86时,连续旋转爆震波以单个波头的同向传播模态传播,且其未影响到空气加热器的正常工作。爆震波的传播频率为3.68k Hz,与高频压力FFT分析所得的主频3.67k Hz吻合较好;爆震波传播速度为1248m/s。在未测量高频压力的情况下开展了长程试验,结果表明,在高总温来流条件下,连续旋转爆震波也可以在更长时间范围内稳定工作。

H_2/Air连续旋转爆震发动机推力测试(Ⅱ)-双波模态下的推力

在环缝-喷孔对撞式喷射的H2/Air连续旋转爆震模型发动机上实现双波自持。详细分析了连续旋转爆震波以双波模态自持传播的典型波形特征和时域、频域特征。测量了模型发动机工作在双波形模态下所产生的一维推力,讨论了比冲等推力性能。时频特性和推力积分表明:出口背压为大气压时,在空气流量786.6g·s-1,氢气流量20g·s-1,当量比为0.8733的工况下,模型发动机以平均传播频率10.5809k Hz,平均传播速度1578.9m·s-1的双波模态稳定工作超过650ms。产生可靠的有效推力约808.5N。以火箭模式计算,有效排气速度为1002.3m·s-1,总比冲为102.3s;以冲压模式计算,有效排气速度(氢气消耗率)为40425m·s-1,燃料比冲为4125s,所消耗氢气的单位面积质量流率为13404g·m-2·s-1,单位推力为1027.8m·s-1。相比于单波模态,双波模态使得燃烧室内压力更为均匀,高频推力曲线振荡幅值小。爆震波头个数增多有利于推力稳定。

连续旋转爆轰发动机的研究进展

连续旋转爆轰发动机(CRDE)是一种基于爆轰燃烧方式的新概念发动机,具有一次起爆、燃烧速度快、热效率高、结构紧凑等优点,有望带来航空航天推进技术的跨越式发展,近年来受到世界各主要国家的高度关注。本文从基本概念、应用前景、实验研究和数值模拟等角度,对连续旋转爆轰发动机的研究进展进行了全面综述。通过总结有代表性的研究成果,给出尚待解决的问题,为其进一步工程化应用研究提供参考。

一种新的惯性平台快速连续旋转自对准方法

针对惯性平台静基座初始对准中精度和时间受到试验条件限制的问题,提出了一种通过平台连续旋转的进行快速自对准方法。首先,推导了惯导平台连续旋转过程中的平台失准角模型;然后,采用输出灵敏度理论分析了连续旋转条件下惯导平台系统的可观测性;最后,对设计的平台连续旋转路径进行了仿真试验。仿真结果表明:本文提出的自对准方法突破了传统静态自对准方法中存在的可观测性局限,可快速对失准角进行估计,有效提高了平台对准精度。

煤油两相连续旋转爆震燃烧室工作特性试验研究

为了深入分析煤油燃料两相连续旋转爆震燃烧室的工作特性,采用富氧空气或氧气为氧化剂,通过试验得到爆震波的时域、频域特征,对两相连续旋转爆震燃烧室中爆震波的起爆过程和稳定后的传播过程进行研究。利用基于激光散射相位多普勒分析(PDA)技术对雾化流场进行了测量,得到喷注器出口不同平面处煤油液滴速度与直径的统计分布。试验结果表明当煤油流量为78g/s,氧气流量为224.0g/s,空气流量为72.5g/s,当量比为1.083时,燃烧室在单波模态下工作,爆震波传播频率为0.904k Hz,平均转速为649m/s。使用氧气作为氧化剂,当煤油流量为81.8g/s,氧气流量为231.8g/s,当量比为1.222时,燃烧室在双波模态下工作,爆震波传播频率为5.882k Hz,平均转速为1848m/s,传播过程中表现出很强的非定常性。在当量比为0.805~0.908的富氧工况下,随着氧化剂中含氧量的增加,爆震波的速度逐步增大,最终达到2440m/s;在当量比为1.057~1.220的富燃工况下,随含氧量的增加爆震波速度呈现线性增长的特征。

捷联惯导连续旋转方位轴式初始对准研究

针对捷联惯导系统初始对准时可观测性差的缺点,提出了一种提高系统状态变量可观测度的新方法。该方法通过连续旋转方位轴来等效地变换捷联惯导系统误差模型中的系统矩阵,从而提高了初始对准过程中的可观测度,满足了初始对准过程中对精度和速度的要求。分析了连续旋转方位轴式对准时系统的可观测性,并对不同方式下的捷联惯导初始对准过程中系统状态的可观测度进行了对比研究,指出采用连续旋转方式时系统状态的可观测度最高。仿真验证结果表明,连续旋转方位轴式初始对准对姿态误差角的估计精度较二、三位置方法提高了一倍。

倾斜环缝喷孔式连续旋转爆轰发动机试验

为了验证连续旋转爆轰发动机起爆过程和传播机理的理论研究,采用了1.0mm,1.6mm以及2.0mm三种尺寸的倾斜环缝喷孔结构,以H2/O2切向喷注的预爆轰管进行起爆,进行了H2/Air组合方式的连续旋转爆轰发动机试验研究。试验结果表明,1.6mm环缝获得了最佳的试验结果,爆轰波频率为5.05.3kHz,对应的传播速度为1460.11547.7m/s。通过对旋转爆轰波传播机理的分析,验证了爆轰波存在三种传播方式:正转、反转和双波头对撞。

薄煤层M形工作面连续旋转开采技术

为解决不规则工作面难以布置长壁开采设备和实现高效开采的难题,以大社矿94064工作面为背景,应用数值模拟、理论分析等方法,对采场矿压显现和覆岩移动规律进行研究,开发了M形工作面连续旋转开采技术。研究结果表明,薄煤层野青灰岩顶板不破断,以连续缓慢下沉为主,提出了基于顶板连续缓慢下沉为主的"限定变形"顶板载荷估算方法;提出了针对M形工作面的开采工艺,工艺中续(减)支架、延长(缩短)刮板输送机、调斜比例控制、高档支护补充4个环节协调有机配合,使工作面多次连续大角度旋转,实现薄煤层M形工作面不搬家、不倒面直接推采的综采技术,节约了搬家倒面和新开切眼的经济成本。

连续旋转爆震波传播模态试验

通过保持空气流量不变、改变H2／air当量比开展了连续旋转爆震对比试验，发现随当量比的降低出现三种传播模态：在较高的当量比（0．90～1．86）下，连续旋转爆震波以同向传播模态传播；在较低的当量比（≈0．75）下，则以双波对撞模态传播；在中间工况，则以上述混合模态维持传播。分析了不同传播模态下的高频压力特征，并初步分析了传播模态的转换机制：当量比较高时，爆震强度较高，传播过程中的损失和速度亏损相对较小，爆震波以同向传播模态维持传播；当量比较低时，爆震强度较低，传播过程中的损失和速度亏损较大，此时无法维持同向传播模态，而以双波对撞模态传播，这是由于双波对撞模态中的激波对撞产生高温环境，有利于燃烧放热，其可能是连续旋转爆震的极限传播模态。

连续旋转爆轰三维流场的数值模拟

基于带化学反应的三维Euler方程,采用氢气-空气的9组分19步基元反应简化模型,对圆环形燃烧室内的旋转爆轰进行了数值模拟。数值计算采用二阶精度波传播算法和二阶Runge-Kutta时间分步算法。通过数值计算得出爆轰波传播扫描照片,与相关文献中通过高速扫描照相机得到的扫描照片相比符合的很好,并详细描述了连续旋转爆轰波的三维流场及传播特性。数值结果表明,爆轰波能够以旋转方式沿预混气层稳定传播。在侧向稀疏波和前一次爆轰产物的共同影响下,二次爆轰波形成爆轰亏损。

连续旋转爆轰发动机气液两相爆轰波传播特性二维数值研究

为了研究液体燃料连续旋转爆轰发动机(Continuous Rotating Detonation Engine,CRDE)中爆轰波形成与传播过程,采用二维CE/SE方法,对汽油、富氧空气两相连续旋转爆轰发动机爆轰过程进行数值模拟,分析了连续旋转爆轰发动机气液两相爆轰流场和爆轰波结构及入口和出口处的流场变化规律,揭示了CRDE自持传播机理。计算结果表明,燃料以时段阶梯填充方式来起爆旋转爆轰,可快速有效地形成单方向稳定传播的爆轰波;在周向方向上出口处的流场间断面要延后于入口处的间断面,出口流场间断面主要是由斜激波和接触间断面造成的,而入口流场间断面是由爆轰波引起的。通过对气液两相CRDE的二维数值模拟,可更好地了解液体燃料CRDE的工作过程,为液体燃料CRDE研究提供指导。

连续旋转液压伺服关节性能分析

为解决现有液压伺服关节不能实现连续旋转的问题,探讨一种利用转阀式伺服阀控制双作用叶片马达的转角方案。通过将马达的输出轴与阀套固联,将输出轴上的转角直接作为反馈信号,控制输出轴转角对阀芯输入的跟随。根据马达进油腔和回油腔容积周期变化规律推导出其在一个周期内容积变化的数学表达式并绘制相应的曲线。在此基础上,建立系统动力学模型并进行PID校正,由仿真结果得出校正后关节的调节时间为0.036s,跟随误差为0.018mrad,在外负载为80N·m时的稳态误差为1.25mrad,表明该关节动态响应快、跟随性准确且抗干扰性能强。

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25μm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.