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。

脉冲爆震发动机(PDE)引射增推装置试验

PDE设计了两种结构的排气引射增推装置,通过对两种结构排气引射增推装置的试验对比,研究了排气引射增推装置对PDE推力贡献,试验结果表明在合理的结构设计下,采用排气引射增推装置可使PDE平均推力增加50%左右。理论分析了排气引射增推装置的工作机理,及不同结构参数对PDE排气引射增推装置的影响,为PDE排气引射增推装置优化设计提供了理论和试验依据。

模拟冲压进气条件对PDE推力测量影响

研究了射流模拟冲压进气条件下，气源喷口尺寸和气源压头对脉冲爆震发动机（PDE）地面台架试验推力测量的影响，分析地面台架试验中阻力和测量推力随模拟进气条件变化的规律。研究结果表明，PDE充填速度随气源压头或气源喷口尺寸的增加而增加；PDE阻力随气源压头的增加线性增加，随喷口尺寸增加而增加；喷口尺寸在78～105mm内，PDE台架测量推力随喷口尺寸增加而增加。

PDE在模拟冲压进气条件下的台架推力修正

研究射流模拟冲压进气条件下,气源喷口尺寸和气源压头对脉冲爆震发动机(PDE)地面台架测量推力的影响及消除外阻对测量推力的影响的措施.研究结果表明,由于PDE外阻存在使PDE地面台架测量推力偏小,采用PDE进气道前装承力锥的方法,可以消除PDE外阻对PDE地面台架试验推力测量的影响,获得PDE实际内流推力.在试验结果基础上,提出一个PDE地面台架试验内流推力修正公式并在试验中得到验证.

基于虚拟仪器技术的PDE测控系统开发

针对脉冲爆震发动机试验模型的多通道高速采集和实时控制的要求,基于虚拟仪器技术设计并实现了该发动机的实时测控系统,介绍了系统的软硬件体系结构以及抗干扰、多线程编程和基于寄存器级的板卡控制技术等关键技术。实际应用表明,该系统实时性强、可靠性高,能满足试验模型对高速采集和控制时间的要求。

基于无线传感网络的独立式PDE在线监测系统

针对独立式PDE台架和外场试验在线监测需求,提出了基于无线传感器网络的在线监测方案;设计并实现了由在线监测单元和手持单元组成的在线监测系统。该系统具有小型化,集成度高,独立运行,便携性强的特点;满足爆震腔压力高速远程监测,数据实时处理、存储、管理和导出,远程控制,无线自组网等监测要求;解决了现有方案无法适应独立式PDE在线监测的问题。采用在线自动计算爆震特征参数和统计信息的方式代替手工计算,大大提高了科研效率,具有较强的实际应用价值。

PDE出口爆轰波与射流诱发水中流场变化规律的数值仿真

为研究脉冲爆轰发动机(PDE)在水下爆轰后的复杂流场特性,基于Mixture多相流模型原理,建立了PDE管外轴对称流场的多相流爆轰理论模型,采用Simple算法对燃气喷射进入流场的过程进行了数值仿真,研究了气泡的形成和发展过程,以及射流初期流场特性,分析了射流喷射过程中出现的颈缩与回流现象,讨论了射流喷射过程中流场的压力、速度等参数分布以及变化规律。仿真结果表明,爆轰波在水下会引起水流场产生强烈的掺混效应并伴随一些复杂的激波结构,射流在水中会产生胀鼓、颈缩现象。文中的研究可为水下PDE性能研究提供理论参考。

脉冲爆震发动机尾喷管的实验

选取3类10种有代表性的脉冲爆震发动机尾喷管进行了试验.研究结果表明,各种喷管对性能均有提高;对每类喷管均存在一最佳面积比,使推力增益最大;在受试的尾喷管中,收敛-扩张喷管增益最大,达24%;填充系数对喷管性能增益影响甚微.

爆震频率对脉冲爆震发动机性能影响的试验研究

从影响脉冲爆震发动机爆震频率的因素出发,采用汽油为燃料,空气为氧化剂,研究了爆震频率对脉冲爆震发动机性能的影响。试验测取了各个爆震频率下稳定爆震的化学当量比范围,同时测试了不同工况下的爆震波压力、推力及爆震波速,发现当爆震频率较低时,发动机的工作范围较宽,爆震波压力、波速接近充分发展的理想爆震波,说明已产生了稳定、充分发展的爆震,脉冲爆震发动机的平均推力随着爆震频率的提高接近线性增大;但是随着爆震频率的提高,它的稳定工作范围变窄,爆震的强度降低。

脉冲爆震火箭发动机关键技术和样机研究

通过对脉冲爆震火箭发动机（Pulse Detonation Rocket Engine，PDRE）气动阀，气动阀和雾化喷嘴一体化设计，进行改善燃油蒸发、掺混，改善点火性能，强化燃烧等关键技术的研究，研制一台内径58mm，长1300mm的PDRE原型样机。试验表明，该PDRE样机能产生稳定的间歇爆震波。根据混气充填速度的不同，以汽油/空气为推进剂的PDRE工作频率可以在25～40Hz内变化。试验对汽油／氧气为推进剂的PDRE进行研究，其工作频率可达10Hz。

脉冲爆震发动机的蒸发助爆器试验

为使φ180 mm的燃用汽油的气动阀式脉冲爆震发动机成功起爆,设计了几种型式的蒸发助爆器以提高燃油的蒸发率,通过蒸发助爆器内产生爆震波来触发大管内的爆震波。进行了不同蒸发助爆器管内径(φ13mm,φ16 mm,φ29 mm)的试验比较,φ29 mm的蒸发助爆器内装螺旋型钝体与不装螺旋型钝体的试验比较,以及φ29 mm和φ37 mm都装螺旋型钝体的蒸发助爆器试验比较,分析了不同管径及不同结构蒸发助爆器对爆震波产生的影响及机理,及对爆震波压力、推力的影响。结果表明,采用多管形蒸发助爆器可以使PDE成功起爆。在同样堵塞比下,在蒸发助爆器的小管内加螺旋型钝体并增加螺旋形钝体钢丝直径,减小小管壁厚,对降低推力损失有利。

爆震室压力测量可靠性试验

为了提高脉冲爆震发动机(Pulse Detonation Engine,简称PDE)内爆震波压力测量值的可靠性,解决多循环PDE爆震室压力测量问题.通过动态压力测试系统,对单次爆震和多循环PDE爆震室内的压力进行测量.单循环爆震波压力测量的比较性试验研究发现:当主爆震室的旁支套管长度小于100mm左右,可以测到爆震波的峰值;当套管长度大于150mm左右时,火焰不能在旁支小管内传播,传感器测到的只是爆震波后的平台的压力.当通过冷却套管来测量多循环PDE爆震室压力时,采用较短长度的套管,可以得到爆震波压力.研究结果解决了多循环爆震波的压力测量问题.

混合式脉冲爆震发动机原理性试验系统设计、集成与调试

设计、集成了由涡轮增压器、脉冲爆震燃烧室、燃油供给单元、润滑单元和测控单元构成的混合式脉冲爆震发动机原理性试验系统。初步实验研究表明该系统运行可靠。当脉冲爆震燃烧室与涡轮组合工作时,可在一定频率范围内稳定工作;爆震室头部及管壁沿程压力相对于爆震室独立工作时有所提高;压气机出口空气流量远大于爆震室进口空气流量,证明利用压气机给爆震室供气是可行的。在5Hz爆震频率下,涡轮被爆震产物冲击20min后,叶片没有任何烧蚀和裂纹出现。

脉冲爆震发动机气动阀性能分析

通过数值模拟和试验对两种不同结构的脉冲爆震发动机(PDE)气动阀进行了研究.结果表明,两种气动阀都能在PDE工作中起到单向阀功能,双旋流气动阀由于切向旋流作用,其雾化、掺混作用优于锥形气动阀,而锥形气动阀阻力损失小.同时,还数值模拟了锥形气动阀关闭后的流场结构,得到了进气过程中及气动阀关闭后PDE内的流场分布,结果显示,气动阀关闭后,大涡很快脱落形成一系列小涡,大大增强了流场内的紊流度.

爆震频率对脉冲爆震发动机引射性能影响的实验

采用汽油为燃料,空气为氧化剂,对多循环脉冲爆震发动机(PDE)加圆直形引射器的增推性能进行了实验研究.实验采用力传感器法对爆震发动机加引射器前后不同爆震频率以及不同引射器长度下的平均推力进行了测量.结果表明:脉冲爆震发动机非稳态引射器可以提高系统的平均推力,当爆震频率为25Hz时平均推力增益最大,可达64.4%.在一定频率下,对直径一定的圆直管引射器存在着一个最佳长径比4.58,此时对应推力增益性能最好.

两相多循环爆震波特性研究

为了研究两相爆震燃烧的特性,在多循环自吸式脉冲爆震原型机上进行试验研究。运用动态压力传感器和离子探针并行采集手段进行试验,结果表明:爆震波传播速度在1 300 m/s左右;爆震波的前导激波与反应区之间的距离在30 mm左右,两相爆震的主要反应区厚度约为80 mm左右,且反应区后存在液滴的燃烧延迟;激波动态压力信号与反应区的离子信号的并行采集可以作为判断是否产生爆震的手段。

煤油/空气三管脉冲爆震发动机共用尾喷管研究

探索脉冲爆震-涡扇组合发动机的可行性,建立了煤油/空气三管气动阀式脉冲爆震发动机PDE试验系统,设计、加工了收敛型尾喷管和收敛-扩张型尾喷管,在三个内径100 mm,长2 000 mm的爆震管内获得了充分发展的爆震波,成功实现总工作频率30 Hz稳定时序工作,研究了三管PDE各爆震管之间爆震燃烧特性的相互影响规律.三管PDE安装共用尾喷管能够提高爆震室内压力,提高三管PDE的工作性能.研究结果为研制多管脉冲爆震发动机原理样机提供了理论依据.

钝体/阻流孔式气动阀工作机理及流阻特性研究

针对脉冲爆震发动机的工作特点构思了一种钝体-阻流孔式气动阀,对该气动阀的工作机理进行了分析,通过二维数值方法初步研究了该气动阀的流场分布情况及流阻特性.结果表明:该气动阀具有良好的单向性,出口压力为100 kPa时,该气动阀在来流压力100 kPa<p<500 kPa工作条件下正向流动顺畅,反向流动时,流动阻力随来流压力的升高线性增大.真实爆震环境的数值模拟结果显示,该气动阀的单向性、掺混效果、出口流场均匀度明显提高,反向流动阻力显著增大.

多循环脉冲爆震发动机工作过程中的延迟时间研究

为了提高两相脉冲爆震发动机(PDE)工作的协调性,运用离子传感器、动态压力传感器,对爆震燃烧的几个延迟时间以及供油电磁阀工作性能进行研究.研究表明:以汽油为燃料、空气为氧化剂的气动阀式PDE,点火延迟时间为3.0-4.5 ms,气动阀关闭滞后点火信号发出4.9-6.4 ms,供油电磁阀开、关延迟分别为2.4ms和3.4 ms左右.缓燃向爆震转捩时间为3.0-3.8 ms.PDE工作频率大于20 Hz时,电磁阀不能按设定时间工作.研究成果对PDE工作过程的协调及有效控制具有参考价值.

等离子体点火对燃烧转爆轰影响的数值计算

采用CE/SE方法对耦合的流体力学方程与麦克斯韦方程求解,对等离子体点火和气液两相爆轰过程进行数值模拟.讨论了3种不同点火位置对燃烧转爆轰(DDT)的影响.结果表明,等离子体点火可以在短时间内点燃爆轰管内汽油/空气混合物,经过一系列复杂的波系与波系、波系与管壁之间的相互作用最终形成稳定的爆轰波.壁面点火比中心点火具有优势,可以缩短DDT时间约8.5%,缩短DDT距离约10.6%,部分计算结果与试验结果符合良好.研究工作能够为PDE的优化设计提供理论指导.