连续爆轰发动机的研究进展

连续爆轰发动机是一种基于爆轰波将推进剂的化学能转化成热能的新概念发动机,近年来受到世界各主要国家的高度关注。现已成功获得多种燃料长时间稳定的连续爆轰,较深入地认识了连续爆轰流场结构,初步测得推力和比冲,验证了连续爆轰发动机的性能优势并在火箭模态、冲压模态以及涡轮模态下都实现了稳定连续爆轰。对连续爆轰发动机的工作原理,以及近年来世界各主要国家在连续爆轰发动机的基础研究和应用研究方面取得的代表性成果进行了综述,并给出尚待解决的问题,为其进一步工程化应用提供参考。

连续爆轰发动机燃烧室内压力分布的实验研究

近年来,由于爆轰高效的燃烧方式,其已成为各国学者关注的焦点。而连续爆轰发动机只需一次点火,便能在燃烧室内形成连续传播的爆轰波,从而可以提供持续稳定高推力的优越性能使其成为航空推进的一个重要研究方向。本文基于北京大学燃烧推进动力中心的连续爆轰实验设备,利用H2/O2混合燃料,结合实验数据对连续爆轰发动机内部压力分布进行了实验研究,分析了连续爆轰形成、稳定和熄灭的过程,计算了实验中连续爆轰的速度和旋转周期,为进一步研究连续爆轰发动机内部机理奠定了基础。

连续爆轰发动机研究进展

连续爆轰发动机(Rotating detonation engine,RDE)是一种基于爆轰燃烧的新型航空航天发动机。近年来,连续爆轰发动机逐渐受到世界各国的关注,被认为是具有变革性的航空航天推进技术。从流场结构、工作模态、稳定性和推进性能的角度,对连续爆轰发动机近年来的关键研究进展进行了综述。提出了若干研究展望,总结了连续爆轰发动机燃烧机理研究和工程应用面临的几个关键问题。

连续爆轰发动机中的起爆、湮灭、再起爆和稳定全过程的流场演化机制

为了研究连续爆轰发动机中的起爆、湮灭、再起爆和稳定全过程的流场演化机制,采用基于开源计算流体力学平台OpenFOAM的自定义求解器BYRFoam,使用带Laval尾喷管的空心圆筒燃烧室的几何构型及阵列式小孔进气。分析了起爆和湮灭的过程以及再起爆现象产生的原因,采用时空分布图的分析方法总结了起爆、湮灭、再起爆和稳定全过程的流场演化机制。结果表明,起爆初期的斜激波会在尾喷管收缩段反射形成反射激波,反射激波进入新鲜气体,形成与初始爆轰波方向相反的新爆轰波,这会导致爆轰波的湮灭。湮灭之后,燃烧室头部的高压强会阻碍新鲜气体的进入,之后已燃气体逐渐通过尾喷管排出燃烧室,燃烧室头部压强降低,逐渐进入燃烧室的新鲜气体为后续的再起爆创造了条件。连续爆轰波再起爆的原因有两个:一是尾喷管收缩段处的反射激波进入新鲜气体层并转化为爆轰波;二是已经形成的爆轰波与阵列式进气相互作用,形成反传波,反传波进入新鲜气体并转化为爆轰波。再起爆之后,经过爆轰波、激波和新鲜气体的相互作用和演化,爆轰波最终稳定传播。

连续爆轰发动机的二维数值模拟研究

介绍了连续爆轰发动机(Continuous detonation engine,简称CDE)的物理模型及爆轰波传播的物理机理,并对CDE流场的波结构进行了分析.使用两步化学反应模型对简化的CDE模型做了二维数值模拟研究.计算了圆柱面展开二维平面的多个爆轰循环过程.模拟结果较好地匹配了相关CDE实验所获得的流场结构.数值计算结果使我们可以更加透彻地理解CDE各方面的参数,对于CDE的进一步研究具有一定的指导意义.

连续爆轰发动机热力学性质的数值模拟

在二维圆柱腔中连续爆轰发动机数值模拟的基础上,对喷入流场中的粒子进行跟踪,得到经历不同燃烧过程的粒子轨迹图.分析影响粒子轨迹及其上物理参量变化的主要因素.数值模拟得到相应的示功图和示热图,计算连续爆轰发动机的机械功及热效率,将数值模拟结果与理想ZND(Zeldovich-Neumann-Do-ring)模型进行定性和定量的比较,所得数值模拟结果与理论结果符合得很好,验证了连续爆轰发动机的优势.

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。

液态燃料对连续旋转爆轰发动机爆轰特性的影响

为了研究液态燃料对连续旋转爆轰发动机爆轰特性的影响,采用CE/SE方法对以汽油/富氧空气为燃料的CRDE进行数值模拟,分析了不同液滴半径、当量比对爆轰性能参数的影响。计算结果表明:随着液滴半径增大,爆轰压力峰值、温度峰值以及爆轰波速度均降低,且压力峰值与温度峰值在爆轰波传播过程中出现不稳定现象;当增大到70μm时,爆轰波将无法成功起爆。随着当量比的增大,CRDE爆轰波速度及平均推力增大,爆轰压力、温度以及气相周向速度的峰值均先增大后减小。在当量比1.1附近,爆轰压力与温度的峰值出现极大值;而气相周向速度峰值的极大值出现在当量比0.9附近。基于燃料的比冲随着当量比增大而减小。

进气总压对连续旋转爆轰发动机爆轰影响的二维数值模拟

为了研究两相连续旋转爆轰发动机爆轰特性,基于二维守恒元和求解元的方法,对汽油/富氧空气为燃料的发动机爆轰过程进行数值模拟,获得了燃烧室内部流场结构和爆轰波传播特性,对不同进气总压条件下发动机的爆轰性能进行了计算。结果表明,入口处流场随着爆轰波传播呈周期性变化;爆轰波前的预混燃料层是形成稳定连续旋转爆轰的关键,当进气总压过小时,点火后入口处不能形成有效预混燃料层,致使爆轰熄灭;出入口处的压力、温度、密度均受到进气总压的影响;发动机的比冲与进气总压成正比例关系。

推进剂总质量流量对连续旋转爆轰发动机性能影响实验研究

为了研究推进剂总质量流量对连续旋转爆轰发动机(CRDE)爆轰波传播特性以及推力性能的影响,在环缝-喷孔对撞式喷注H2/Air的CRDE上开展了一系列实验。基于测量的高频压力信号,详细分析了不同推进剂总质量流量工况下爆轰波传播的典型波形、速度与频率以及稳定性。测量了CRDE长时间工作产生的推力,并讨论燃料比冲的变化情况。实验结果表明,当量比不变时,随着总质量流量的增加,爆轰波依次表现传播方向转变、双波对撞向单波同向转变、单波同向、以及双波同向与单波同向共存四种传播模式,平均传播速度和频率呈现出先增大后减小的趋势;推进剂总质量流量偏高或偏低,爆轰波均表现为不稳定传播模态。发动机产生的平均推力随着总质量流量的增大而呈线性增大,燃料比冲则是先增大后减小,当推进剂总质量流量为593.60g/s,获得基于燃料的比冲最大为5159s。

铝粉燃料连续旋转爆轰发动机工作特性

为探索基于铝粉燃料的连续旋转爆轰发动机独特的爆轰特性及推进性能,开展铝粉/空气和氢气/空气连续旋转爆轰发动机热试车对比实验。实验结果表明:在相同发动机构型及条件下,铝粉/空气连续旋转爆轰发动机的推力比氢气/空气高35%;铝粉/空气的峰值压强比氢气/空气高11%;铝粉/空气的爆轰波传播速度比氢气/空气低11%;铝粉/空气工作模态同氢气/空气一样,均为单波模态。上述差异一方面由燃料不同物理化学性质所致,另一方面由气-固两相爆轰和纯气相爆轰差异所致。所得研究结果可为吸气式粉末燃料连续旋转爆轰发动机奠定一定的实验和理论基础。

气相与液相两相连续旋转爆轰发动机二维数值模拟

为了研究气相与液相两相连续旋转爆轰发动机爆轰波传播特性及内流场结构,建立气相与液相两相爆轰欧拉-拉格朗日模型,模型中考虑了液态燃料的喷射雾化过程。采用时空守恒元与求解元方法和标准4阶Runge-Kutta法分别求解气相和液相控制方程,并对计算得到的燃烧室内流场参数分布进行分析。计算结果表明:最终在燃烧室入口附近形成了连续传播的旋转爆轰波;爆轰波和斜激波分别造成了入口边界和出口边界上的参数间断;旋转爆轰波在传播过程中强度会不断变化。

连续旋转爆轰发动机外流场三维数值模拟

为研究连续旋转爆轰发动机(CRDE)内外流场的变化特性,采用氢气-空气单步有限速率化学反应模型,对内径为40 mm、外径为60 mm、长度为50 mm的连续旋转爆轰发动机进行三维数值模拟,获得了CRDE内外流场结构特征和旋转爆轰波相关参数的变化特性,分析了不同进气总压条件对流场结构和发动机性能的影响。结果表明:爆轰产物在燃烧室出口附近膨胀加速,压力和温度大幅降低,在流场下游产生激波使压力回升,且随进气总压的升高,激波距燃烧室出口距离增加;出口附近羽流中心形成低压高温区域,中心平面上的平均压力低于环境压力,给发动机推力带来了副作用;羽流外围的空气受出口处斜激波的扰动,压力呈现出周期性变化;发动机推力随进气总压的升高而呈线性增加,进气总压为0.55MPa时,发动机推力达到了1160 N。计算仿真结果对掌握连续旋转爆轰发动机外流场特性具有一定的参考价值。

基于预爆轰点火方式的连续旋转爆轰发动机起爆过程分析

为深入了解预爆轰式连续旋转爆轰发动机点火起爆机理,基于连续旋转爆轰发动机试验平台进行了一系列预爆轰管点火试验和连续旋转爆轰发动机点火起爆试验研究,基于OpenFOAM开展了预爆轰管内初始爆轰波进入发动机环形燃烧室传播过程的数值模拟研究。结果表明:试验研究中,初始爆轰波进入环形燃烧室后波峰压力值迅速降低,爆轰波膨胀解耦并衰减为燃烧波;初始爆轰波进入环形燃烧室后,并未直接形成旋转爆轰波,而是存在“初始爆轰波解耦—DDT—触发旋转爆轰波”过程;在总质量流量为380 g/s左右时,随着当量比从0.65提高至0.95,DDT时间迅速从20 ms以上下降至2 ms以下;当总质量流量下降至280 g/s附近时,出现了旋转爆轰波峰值压力大幅波动等旋转爆轰波不稳定传播现象。数值模拟中,初始爆轰波进入环形燃烧室后逐渐衰减,形成首道激波,该激波在燃烧室内壁面反射后形成反射激波,并伴随首道激波传播;首道激波在传播过程中在燃烧室进口端面发生反射形成反射激波,该反射激波最终在周向约90°位置处衰减至消失。

喷管对连续旋转爆轰发动机性能影响数值研究

为研究尾喷管构型对连续旋转爆轰发动机性能的影响,采用内径40 mm,外径60 mm,长度50 mm的环形燃烧室,空气为氧化剂,氢气为燃料,对安装等直喷管、收敛喷管、扩张喷管和拉瓦尔喷管的连续旋转爆轰发动机的内外流场进行数值模拟。获得了不同尾喷管条件下爆轰波的传播特性和流场结构,分析了喷管构型对发动机内外流场结构和推进性能的影响。计算结果表明,不同尾喷管条件下,燃烧室内均能形成稳定传播的爆轰波;与等直喷管相比,收敛喷管和拉瓦尔喷管对燃烧室内的爆轰波的压力和传播速度具有明显提升作用,但波头高度则明显降低,安装扩张喷管条件爆轰波压力和传播速度略微有所降低,波头高度却增加。收敛喷管和拉瓦尔喷管对发动机尾部火焰具有一定的约束作用;在给定的发动机模型下,收敛喷管对发动机的推力性能提升最为显著,其推力和比冲分别为259.4 N和120.3 s,扩张喷管则降低了发动机的推力性能。

双波对撞模态下的液态燃料旋转爆轰发动机推力测试研究

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,分析了双波对撞模态下爆轰波自持的传播特征、时域频域特征和爆轰波高度,测量了发动机模型在双波对撞模态下的一维推力。试验结果表明:在富氧空气(34.3%O_2和65.7%N_2)流量为945.3 g/s、汽油流量为84.3 g/s、当量比为0.82的工况下,爆轰波平均传播频率为2.174 k Hz,平均传播速度为1 051 m/s,爆轰波高度在55~70 mm之间,有效推力为607.3 N,单位面积推力8.587×104N/m2,燃料比冲为735.1 s.推力曲线表明:双波对撞模态下发动机推力波动较大,推力围绕推力平均值振荡,稳定工作阶段发动机振动频率与爆轰波传播频率基本一致。

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。

当量比对液体燃料旋转爆轰发动机爆轰影响实验研究

为了研究液态燃料连续旋转爆轰波起爆机理和不同工况下的旋转爆轰波特性,采用了环形阵列式精细雾化装置,进行了汽油/富氧空气组合的连续旋转爆轰试验。试验成功起爆并实现了旋转爆轰波的自持传播,爆轰波传播频率为2.1-2.4k Hz,传播速度为1022.2-1171.8m/s。该发动机上旋转爆轰波始终为同向传播模态,存在单波头、双头波和多波头同时存在的混合传播模态,旋转爆轰波传播速度存在亏损。试验工况范围内,旋转爆轰波的传播速度随总推进剂的质量流量增大而增加;在一定工况范围内,同一当量比工况下,旋转爆轰波压力值随总推进剂的质量流量增大而增加;旋转爆轰波压力极大值出现在当量比1.1附近。