燃烧室结构对煤油预燃裂解气旋转爆轰特性的影响

在固定来流条件下,改变旋转爆轰燃烧室宽度和出口阻塞比,实验研究上述结构对煤油预燃裂解气与空气旋转爆轰传播特性的影响。实验结果表明:适宜的燃烧室宽度和出口宽度能够促进旋转爆轰波(Rotating Detonation Wave,RDW)的稳定自持传播,当燃烧室宽度为20 mm和26 mm,燃烧室出口宽度为4~8 mm时,煤油预燃裂解气和空气能够成功起爆并能稳定传播,增加燃烧室的宽度,RDW传播速度和稳定性均有提升;随着出口阻塞比增加,RDW传播模态经历了稳定单波模态、间断单波模态和双波同向模态,阻塞比的增加能提升燃烧室末端反射激波的强度,促进多波头的产生,RDW传播速度和压力随着阻塞比的增加,经历了升高后降低的变化。

连续旋转爆轰燃烧室增压特性的数值研究

为了分析爆轰燃烧室几何尺寸对增压特性的影响,利用二维欧拉方程数值研究了当量H2/Air在连续旋转爆轰燃烧室中的燃烧流场情况。研究表明:在准稳定状态下爆轰燃烧流场特征参数随时间呈周期性振荡,且其振幅保持不变;横波及局部爆炸波的存在是爆轰波后侧附近总压沿x轴呈现波动变化的主要原因;影响连续旋转爆轰燃烧室增压特性的直接因素为斜激波的高度及爆轰波强度,减少轴向尺寸或增加周向尺寸可增强其增压特性。连续旋转爆轰燃烧室的增压比高达2.52,与传统的燃烧室相比,大大提高了燃气的做功能力。

连续旋转爆轰燃烧室增压特性的热力学分析

为了探究连续旋转爆轰燃烧室(CRDC)增压特性产生的根本原因,利用二维可压缩欧拉方程对正庚烷-空气CRDC进行了数值研究,从熵和自由能变化的角度对比了燃气轮机燃烧过程、等压燃烧过程、旋转爆轰燃烧过程和等容燃烧过程的差异,并分析了轴向尺寸对CRDC增压特性的影响。研究表明:对比等压燃烧过程,旋转爆轰燃烧过程熵增更小,吉布斯自由能损失更小,出口工质做功能力更强;但旋转爆轰燃烧过程增压能力远小于等容燃烧过程。轴向尺寸越小,旋转爆轰燃烧过程中经斜激波作用的工质比例越小,吉布斯自由能损失越小,CRDC的增压能力越大。当轴向尺寸由200mm逐渐减小至100mm,CRDC的热效率始终保持在99%以上,增压比由1.8279提高至2.2167,吉布斯自由能减小量由5067.1kJ/kg降低至4914.6kJ/kg,然而等容燃烧过程增压比为6.1467,吉布斯自由能减小量为4192.2kJ/kg,两者仍有较大差距。

非均匀当量比对旋转爆震燃烧室性能影响的三维数值模拟研究

为研究入口当量比的不均匀分布对旋转爆震燃烧室性能的影响,建立了当量比在入口环缝的径向或周向的函数模型,将模型公式代入组分质量分数与当量比的关系式,得到组分质量分数在径向或周向的分布函数。通过Fluent软件中的自定义函数工具,构造入口边界组分的分布函数,利用三维瞬态欧拉方程模拟了C_(10)H_(22)/air旋转爆震燃烧室中爆震波的传播过程及流场特性,对比了不同当量比分布下爆震波及旋转爆震燃烧室性能参数的变化特征。结果表明:入口当量比的不均匀分布会影响爆震波的传播特性;当量比为0.4~1.6且沿径向非均匀分布时,随着入口面中线位置当量比的增大,爆震波的高度减小;当量比为0.4~1.6且沿周向非均匀分布时,随着变化周期数的增加,爆震波的高度几乎不受影响;当量比的不均匀分布会削弱旋转爆震燃烧室的增压效果和温升效果,沿径向不均匀分布的情况相较于沿周向不均匀分布的情况,影响更明显;旋转爆震燃烧室内,爆震波的诱导和反应区并非严格位于前导激波的正后方,而是位于前导激波的斜后方,且在曲率的影响下,在靠近燃烧室外壁面的区域,前导激波沿中径圆柱面的圆周线传播。

面向旋转爆轰燃烧室的涡轮气动性能数值研究

为研究旋转爆轰燃烧室出口流场对涡轮气动性能的影响,基于指数函数的非线性特征简化了燃烧室出口的流场分布,采用求解三维SST k-ω湍流模型的方法对涡轮全流场开展数值计算。讨论了不同来流脉动特性对叶栅瞬态流场的作用机制,分析了涡轮叶片对燃烧室出口压力振荡峰值的抑制作用,并在此基础上探究了不同工况下涡轮流动特性的变化。计算结果表明:脉动来流使涡轮瞬时流场呈现复杂的周期性变化;单级轴流式涡轮使得压力振荡峰值最高降低73.49%,其中静子叶栅对双波模态下压力峰值的抑制效果最优,最多可降低49.9%,转子叶栅对压力峰值的二次抑制具有补偿效应,压力峰值平均减小46.95%;涡轮虽然会增强来流的总压脉动特性,但本身具有一定自适应能力,此外总压脉动与流动均匀性有较为密切的关系。

旋转爆轰燃烧室壁面传热特性数值模拟

为研究旋转爆轰燃烧室的壁面传热特性,对H2/Air旋转爆轰燃烧室进行了三维共轭传热模拟研究。建立了带壁面的燃烧室模型,采用密度基求解非稳态RANS方程,选用标准k-ε湍流模型,利用能量方程和流固界面的Interface边界条件实现壁面耦合传热,研究了旋转爆轰燃烧室非稳态流场及壁面传热特性分布。结果表明,流场中温度升高的原因包括化学反应和流体压缩两种机制。燃烧室头部附近壁面存在环形高温带,壁面温度沿轴向先上升后下降,爆轰波与斜激波交汇处附近温度最高。壁面热流密度则在头部最高,沿轴向逐渐降低。在除头部以外的其他部分,壁面换热系数沿轴向下降,进一步说明了壁面热流密度受燃烧室内部压力的影响。预混条件下,当量比越接近1.0、质量流量越大,燃烧室壁面温度越高且越集中于头部,高热流密度区域的轴向深度越短,极限热流密度越高。

基于大涡模拟方法的三维旋转爆轰流场结构研究

为研究环形燃烧室中边界层、黏性、湍流模拟方法对旋转爆轰流场结构的影响,采用开源计算流体动力学软件OpenFOAM,以氢气为燃料、空气为氧化剂,基于大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)方法、RANS方法、Euler方法,分别结合滑移和无滑移边界,对三维旋转爆轰发动机模型进行数值模拟,分析对比不同计算方法下旋转爆轰流场结构。着重讨论以LES方法得到的流场结构。研究结果表明:当采用滑移边界时内、中、外截面的流场温度无太大差异,当采用无滑移边界时内外壁面温度高于中间截面,边界层会影响近壁区域气体的流动速度,导致内外壁面爆轰波高度低于中间截面,还会影响燃烧产物的流动状态轴向截面上爆轰波波头产生变形;不同湍流计算方法得到的旋转爆轰流场结构存在相似性,黏性是影响旋转爆轰流场结构的主要原因。研究结果对于揭示边界层和黏性对旋转爆轰的影响机制具有一定的科学意义。

燃烧室长度对液态燃料旋转爆轰发动机性能影响实验研究

为了研究燃烧室长度对液态燃料旋转爆轰发动机性能的影响,在环形阵列式连续旋转爆轰发动机上,以汽油/富氧空气为工质,详细分析了不同燃烧室长度下爆轰波传播模态、平均压力峰值和传播速度的变化特征。测量了发动机模型在不同燃烧室长度下的一维推力,分析了推力和燃料比冲的变化趋势。实验结果表明:出口背压为大气压时,空气流量为762.9g/s,氧气流量为182.4g/s,汽油流量为84.3g/s,当量比为0.82,燃烧室长度L=235mm工况下爆轰波为稳态双波对撞模态,平均压力峰值和传播速度分别为0.9MPa和1068m/s,爆轰波传播频率为2.223kHz。当L<235mm时爆轰波为非稳态双波对撞模态,平均压力峰值变化较小,传播速度随着燃烧室长度变短而降低。仅在L=135mm工况下,爆轰波传播速度略高于L=155mm工况点,推力和燃料比冲分别为579.5N和701.5s。当155mm≤L<235mm时推力和燃料比冲随燃烧室长度增加而缓慢增大,L=235mm时推力和燃料比冲分别为607.3N和735.1s,L>235mm时推力和燃料比冲变化趋于平缓。

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。

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。

燃烧室宽度对液态燃料旋转爆轰发动机影响实验研究

为了研究燃烧室宽度对液态燃料旋转爆轰发动机工作特性的影响,搭建了气液两相旋转爆轰实验系统,以汽油/富氧空气为工质,氢气/氧气预爆轰管作为点火装置,在不同燃烧室宽度下开展了一系列实验研究,分析了爆轰波的起爆过程,以及燃烧室宽度对爆轰波传播特性与发动机推力性能的影响。实验结果表明:点火后,燃烧室内需要经过一个爆燃转爆轰过程才能形成自持传播的爆轰波;爆轰波在不同燃烧室宽度下均以双波对撞模态传播,对应的波速分布在850~1025m/s内,随着当量比增加,波速整体呈增加趋势;当燃烧室宽度减小,波速整体有所降低;不同燃烧室宽度下推力性能存在显著差异,其中燃烧室宽度在16.5mm下,发动机的推力和燃料比冲要明显低于11.5mm和9mm的;随着燃烧室宽度减小,内外壁面边界层在流场中的作用更为突出,降低了发动机推力的稳定性。

环形燃烧室中凹腔对C_(2)H_(4)/Air旋转爆轰流场影响的数值模拟

为研究环形燃烧室中凹腔对旋转爆轰流场的影响,通过在开源计算流体动力学软件OpenFOAM框架内求解Navier-Stokes方程,对C_(2)H_(4)/Air旋转爆轰燃烧室(RDC)进行三维数值模拟研究。保持进气总压为0.6 MPa,分别在总温300 K、600 K和800 K条件下对比同轴圆环形和凹腔基环形两种构型RDC的主要流场特征,研究凹腔对旋转爆轰波传播特性的影响,定量分析不同热释放速率下消耗的燃料占比,对比了不同热释放速率下消耗的燃料比例。结果表明:对于凹腔基环形RDC,在凹腔内存在回流区,导致在凹腔上游流速缓慢,但在凹腔收缩段流动明显加速,RDC出口的面平均马赫数大于与之对应的同轴圆环形RDC;受燃料向RDC出口和凹腔内壁方向侧向膨胀的影响,相对于同轴圆环形RDC,爆轰波在凹腔基环形RDC中传播时具有更高的速度亏损;部分新鲜燃料与燃烧产物在凹腔内混合,提高了爆轰波波前反应物的温度;在相同进气条件下,同轴圆环形RDC以爆轰形式消耗的燃料占比更多。所得研究结果对RDC的结构设计和优化具有一定的指导意义。

旋转爆轰燃烧室高度对流场影响

为了研究旋转爆轰燃烧室几何结构对旋转爆轰波的影响规律,针对旋转爆轰燃烧室高度对爆轰流场结构和爆轰波传播特性问题,采用2维数值模拟方法分析了爆轰波在4种高度的燃烧室内的参数变化和波系特征。结果表明:在4种高度的燃烧室内爆轰波均能自持传播,且爆轰流场结构相似;当燃烧室高度为4mm时,爆轰波后的反射激波压力较高;在一定范围内,爆轰波传播速度随燃烧室高度的增加而增大,在爆轰波高度为10、16和20mm时,爆轰波波锋面的压力分别为3.93、4.61、4.69MPa。

乙烯对煤粉-氧气爆轰波起爆特性影响机制的实验研究

为实现煤粉连续旋转爆轰发动机的可靠点火,开展乙烯对煤粉-氧气起爆特性的影响机制研究。在初始压力p 0=100 kPa下,采用高能电点火对有无0.5当量比乙烯氛围下的煤粉-氧气混合物开展直接起爆实验研究。点火能量通过测定在空气中高能电火花产生的爆炸波压强进行计算。计算后发现:采用6.3 J的有效点火能量,煤粉-氧气在不含乙烯的氛围下无法起爆;在此能量下,煤粉-氧气在0.5当量比的乙烯氛围条件下可实现直接起爆;将能量降低为3.6 J,使其低于乙烯-氧气(0.5当量比)混合物的临界起爆能量,虽然乙烯-氧气无法直接起爆,但是在加入煤粉后却可以形成稳定的自持爆轰波。研究结果表明:若要实现煤粉-氧气的直接起爆,则需要添加一定量的助爆气体(如乙烯);煤粉的加入还可以拓宽乙烯-氧气混合物的起爆极限。所得结果可以为煤粉连续旋转爆轰发动机的点火起爆提供理论依据并提供技术支撑。

旋转爆轰燃烧室结构及稳定性研究

基于二维可压欧拉方程,对充有当量比为1的氢气/空气预混气的不同结构燃烧室进行数值计算。研究了爆轰波在不同坡度燃烧室内的传播过程,分析了燃烧室内不同波头数目对其性能的影响。研究表明:在燃烧室入口端采用适当的楔形结构,有助于提高沿单一方向传播的爆轰波的强度,提高燃烧室做功能力;当燃烧室周向尺寸较大时,同时起爆双波头有助于提高其工作的稳定性。

不同物理性质无烟煤粉在乙烯/氧气氛围下爆轰波传播特性实验研究

粉末连续旋转爆轰发动机不仅具有爆轰循环热效率高的优势,还兼具粉末燃料体积热值高、流量可调等优点,然而发动机的工作特性会受到煤粉的物理性质影响。为了更好地研究不同物理性质煤粉对于爆轰波传播特性的影响,搭建一套定容燃烧弹,结合高能点火系统,在初始压力p 0=100 kPa下,研究多孔状5μm、多孔状40μm及片状5μm共3种无烟煤粉在不同当量比(0.7、1.0、1.3、1.5)下的爆轰波传播特性。研究结果表明:多孔状5μm无烟煤随着当量比的增加,爆轰波速度及压力持续增加,当量比为1.5时具有最大爆轰波传播速度及压力;多孔状40μm煤粉在0.7~1.3当量比下随当量比的增大,爆轰波速度持续增加,而后在当量比为1.5时由于过量的煤粉导致速度开始降低,但爆轰压力随着当量比的增加而增加;5μm多孔状煤粉爆轰波速度在相同当量比下优于40μm煤粉;片状5μm煤粉爆轰特性最差,在高当量比时会抑制爆轰。

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。

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。

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。