脉冲爆震发动机新型点火系统的优化设计

为了缩短爆燃向爆震转捩的时间和距离,该文将一种新型点火系统--火焰喷射点火系统应用于脉冲爆震发动机.利用二维数值模拟研究不同喷射点火系统结构参数(前端圆柱段长度,直径以及末端喷嘴的直径)下爆燃向爆震转捩的时间和距离,并将研究结果与传统点火系统的爆燃向爆震转捩转变时间进行对比.结果发现:对于该文所采用的PDE模型,最有效的副室结构为喷嘴直径4 mm,副室长度10 mm,体积3.8 cm3.此外还发现喷射点火系统比传统点火系统能更有效地缩短爆燃向爆震转捩的时间和距离,其效率约为后者的1.26倍.     

丙烷自燃特性及爆震机理的试验研究

为了深入揭示丙烷自燃和爆震燃烧机理,基于一台新型快速压缩机试验平台,开展了不同初始压力、当量比条件下丙烷-空气混合气自燃和爆震燃烧的试验研究,并通过瞬态压力和高速相机同步测试方法进行了缸内燃烧过程研究.结果表明:爆震压力振荡强度随着初始压力的提升显著增强,压力振荡的产生与着火方式无绝对关系,其振荡强度主要取决于自燃发生前末端混合气的状态.轻微爆震和弱爆震由末端自燃导致,自燃时未燃混合气区域越大,爆震强度也越高.超级爆震的形成是由于超声速自燃火焰的传播导致压力波在火焰面前方的汇聚,并最终导致爆燃向爆轰模式转变所致,从而形成峰值极高的压力振荡.     

激波和爆震波在U形管中传播过程模拟

为缩短爆震室轴向尺寸,并满足爆燃波向爆震波转变(DDT)或激波向爆震波转变(SDT)距离的需求,采用曲管爆震室代替直管爆震室来研究曲管中的爆震特性。应用数值方法对激波在U形管中传播、加速过程,SDT过程以及爆震波在U形管中的传播过程进行了模拟。U形管的曲率直径和入射激波强度对SDT有很大影响,较小的曲率直径对SDT有较大的促进作用;在入射激波速度大于960 m/s,曲率直径小于78 mm时,激波可以成功向爆震波转变;爆震波在弯管段形成后,向上游和下游两个方向传播,传播的速度和压力均不同;向上游传播的爆震波可以显示出"三波点"的运动轨迹;弯曲光管对爆震波在短距离内形成是有利的,可以用来作为预爆管。     

装药结构对发射药等离子体点火延迟的影响

通过等离子体点火中止燃烧试验研究了发射药装药结构对等离子体点火性能的影响及其相互作用规律.利用等离子体点火燃烧中止装置、压力传感器和瞬态数据采集系统等,测量得到了太根药及单基药等的燃烧中止压力-时间曲线和点火延迟时间,分析了装填密度、等离子体喷孔与发射药的距离以及装药方式等对等离子体点火延迟时间的影响.试验结果表明:增大装填密度以及发射药与等离子体喷孔距离,点火延迟时间变长.在等离子体能量流场的相同位置,装药方式的改变对发射药的点火和燃烧影响不大,点火延迟时间也没有太大差异.     

小型二冲程直喷发动机爆震燃烧特性数值模拟

为了了解点火参数对小型二冲程直喷发动机爆震燃烧的影响,利用GT-Power和AVL Fire软件对该发动机整机及燃烧室分别建立了仿真模型,选取扭矩、功率等数据验证了模型的正确性,并对发动机在5 000r/min、大负荷工况下的缸内平均压力和温度、放热率、累积放热量以及爆震强度分布等特性进行了研究.结果表明:在点火提前角由15℃A逐渐增加至35℃A的过程中,小型二冲程直喷发动机的扭矩、功率、缸内混合气燃烧放热量、放热率、缸内平均压力和温度的峰值均呈现出逐渐增大的趋势,而且会伴随着爆震强度表征物的浓度增大,二冲程直喷发动机的爆震倾向加强;当异步点火相位由0℃A逐渐增加至5℃A时,二冲程直喷发动机的扭矩、功率呈现出略微减小的趋势,两个火花塞附近由于湍动能增大,加快了火焰传播速度,使得末端混合气低温反应时间变短,爆震强度表征物的浓度逐步减小,二冲程直喷发动机爆震发生的倾向有所减小.     

火药热分解的热重分析实验研究

该文用热重分析(TGA)技术对各种国产制式火药的热分解作了实验研究。分析了火药热分解的基本特征、热分解转爆燃的临界条件、热分解动力学参数以及升温速率对热分解的影响。试验结果表明:火药缓慢的热分解向爆燃转变的临界温度可作为火药点火的判据。双基药与三基药存在多阶段的反应、火药热分解的临界温度以及化学动力学参数随升温速率增大而增大。该文的试验研究结果提供了火药的点火和燃烧所需的重要信息。     

增压直喷汽油机中润滑油液滴诱发早燃机制的数值研究

通过利用多维计算流体动力学(CFD)耦合一个多组分汽油替代物的骨架反应机理,对增压直喷汽油机中润滑油液滴诱发早燃的机制进行了研究。首先,在模拟增压高强化汽油机压缩上止点热力学状态的定容圆柱网格内,研究了润滑油液滴的存在对汽油/空气混合气自燃过程的影响,结果表明:以正庚烷和过氧氢酮分别作为润滑油蒸发产物时润滑油液滴的存在均可缩短混合气的着火延迟时间,尤其是以过氧氢酮作为润滑油蒸发产物时混合气的着火延迟时间缩短更为明显;随着润滑油液滴粒径的增大,混合气的着火延迟时间先缩短后延长,润滑油液滴温度和混合气的温度、压力升高会进一步缩短混合气的着火延迟时间。然后,以过氧氢酮作为润滑油蒸发产物,在增压直喷汽油机动网格内模拟了润滑油液滴存在时缸内混合气的自燃过程,结果表明:润滑油液滴蒸发释放出了着火性能较好的组分,缩短了液滴周围混合气的着火延迟时间,导致液滴周围混合气在火花点火之前自燃,从而引发早燃。最后,根据以上结论提出了一个润滑油液滴诱发早燃的机制。     

二次喷射对火花辅助压燃燃烧及爆震特性影响的试验研究

火花辅助压燃(SACI)是一种由火焰传播诱导未燃混合气自燃的新型燃烧方式.但SACI爆震现象限制了热效率的进一步提升.针对这一问题,基于一台高压缩比缸内直喷汽油机,首先对SACI燃烧及爆震界定进行了分析;然后开展了二次喷射策略对SACI燃烧及爆震特性影响的试验研究.结果表明:火花点火是SACI燃烧的一个重要环节,点火过于提前会导致SACI爆震的产生.SACI爆震的压力振荡幅值(MAPO)要高于SI爆震且分布更加离散.二次喷射在燃烧室内可以形成不同的燃油浓度分层,对SACI有良好的爆震抑制效果.当采用喷射比例4∶1、一次喷射时刻300°,CABTDC、二次喷射时刻140°,CABTDC时,通过对爆震的抑制获得最优燃烧特性,循环变动系数降低了1.18%,,有效燃油消耗率降低了约3.11%,有效热效率提高了1.05%.     

丙烷/空气低温等离子体点火起爆数值研究

为研究脉冲爆震发动机低温等离子体点火起爆机理, 充分考虑丙烷/空气详细化学反应动力学机理, 将低温等离子体点火器放电区等效为高温高压热核, 利用FLUENT 软件内置的层流有限速率化学反应模型, 对脉冲爆震发动机低温等离子体点火后由缓燃转爆震(DDT)的过程进行模拟, 并对该过程进行详细分析。实验结果表明, 将低温等离子体点火器简化成一定压力和温度的火核进行数值模拟是可行的, 压力接近常压, 壁面温度为常温更合理。数值模拟的爆震波发展时间小于实验结果, 考虑到实验时有点火延迟和测量误差, 可以认为实验值符合数值模拟时火核为常压、壁温为常温的计算结果。     

液体燃料抛散比药量及点火延迟期的研究

为了合理确定液体燃料环氧丙烷爆炸抛散比药量及点火延迟时间，进行了相关的实验与数值模拟研究，用CCD像机记录了三种比药量下爆炸抛散过程，并从云雾成长过程中不同时刻的燃料浓度及云雾氧平衡两方面对三种比药量下的点火延迟时间进行了讨论。运用数值方法对2个特定延迟时间点的爆炸场压力进行了计算，给出了压力峰值随距离变化的曲线。     

高浓度CO2对70%正庚烷+30%甲苯着火延迟的影响

为了研究柴油在O2/CO2环境下的着火延迟时间,建立了以70%正庚烷+30%甲苯作为柴油表征燃料的着火延迟时间模型,该模型考虑了高浓度CO2对着火的阻燃作用,得到了着火延迟时间与温度、环境密度以及O2、CO2气体浓度等之间的函数关系。利用正庚烷/甲苯机理的仿真计算和定容燃烧弹可视化试验,对不同CO2体积分数下的着火延迟时间和影响着火发生的重要基元反应进行深入研究。结果表明：该模型能够预测柴油在O2/CO2环境下的着火延迟时间,且在50%CO2环境下计算和实验的平均误差值为5.71%;CO2的热效应对着火延迟时间的影响起主导作用,同时当CO2体积分数大于60%时,CO2的第三体碰撞效应对着火发生的促进作用显著增强。     

利用激波管实验装置研究丙烯/氧气/氮气混合气着火滞燃期

利用双膜化学激波管实验装置反射激波方法测量了丙烯/氧气/氮气混合气在温度范围为1650~1900 K、压力为0.1 MPa下的着火滞燃期.通过对理想激波管内流动状态分析,给出了合适的着火滞燃期定义.实验结果表明:随着初始温度的增加,丙烯/氧气/氮气混合气着火滞燃期缩短,着火滞燃期的对数与温度的倒数成正比,入射激波强度与着火滞燃期的对数成反比;高温条件下,混合气的着火滞燃期随着初始压力的增加而增加,随浓度的增加而缩短;利用多元线性回归方法拟合了C3H6着火滞燃期的Arrhenius型关系式,计算结果与文献中的实验数据具有很好的吻合性.     

Exploratory study on new pulse detonation engines

The worldwide progress in studies on pulse detonation engines (PDE) is briefly reviewed and some results of our exploratory study on PDE are presented. Analysis of thermodynamic cycle is made and the specific impulse formula is improved. A proof-of-principle experiment of a two-phase PDE is successfully carried out, using poor-detonable liquid C8H16/air mixture with a low-energy system (total spark energy of 50 mJ) and a newly developed one-step detonation initiation method. The measured detonation wave pressure ratio is very close to that of C-J detonation. The effects of length, diameter and detonation frequency on PDE performance are experimentally investigated. For liquid hydrocarbon fuel/air mixture, the PDE operation is successfully realized with an engine length of 1000 mm and detonation frequency up to 36 Hz, which has made an important step toward practical PDE. The developed code can be used for simulating PDE operation processes including deflagration to detonation transition (DDT) phenomenon. The numerical results are in good agreement with the experimental ones.     

等离子体低压电极孔对点火起爆的影响

针对以低温等离子体点火起爆的脉冲爆震发动机,研究放电区体积不变,低压电极孔对点火触发爆震发展过程的影响. 以丙烷为燃料,空气和纯氧为氧化剂,充分考虑其详细化学反应动力学机理,将低温等离子体放电区等效为高温高压火核,利用Fluent软件,对不同低压电极孔数和直径的5种点火器结构,进行点火起爆过程数值模拟. 结果显示,低压电极孔数多、直径大,初始阶段放电区压力和温度下降快;爆震管内轴向初始火焰体积随低压电极孔面积增大而减小、火焰传播速度变慢,爆震波峰值压力增加缓慢,DDT时间大幅增加;低压电极孔面积越小,越有利于触发爆震;对多循环工作的PDE,需合理设定低压电极孔数和直径,以获得良好的点火起爆特性.      

煤粉对旋转摩擦火花引燃甲烷的影响

参照GB13813搭建了旋转摩擦实验装置，研究摩擦火花引燃甲烷、空气与煤粉混合物的规律.通过高速摄像机和红外热像仪，确定A3钢和钛金属棒在连续摩擦过程中引燃甲烷与空气混合物的是摩擦撞击产生的钛金属火花，而非摩擦热接触面.分别选取三种粒径的褐煤、烟煤和无烟煤粉尘样品，测试煤粉对旋转摩擦火花引燃甲烷与空气混合物的影响规律，发现加入煤粉后甲烷空气混合物着火延迟时间较长.对于同类煤粉，粒径越小爆炸延迟时间越长.对于同一粒径的三种煤粉，着火延迟时间由长到短依次为褐煤、无烟煤、烟煤，其规律与煤粉含水量的多少一致；但未发现和煤挥发分有明显关系.     

提高FAE威力的研究（Ⅱ）─—云雾起爆与爆轰的讨论

云雾起爆和爆轰与点火延滞期、起爆能、爆轰极限、起爆方式和位置等因素有关。该文分析了这些因素对云雾爆轰的影响，并从燃料和敏化剂选择，云雾的初始状态和起爆技术等方面提出了提高ＦＡＥ威力的措施。     

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.     

Shock tube study on auto-ignition characteristics of kerosene/air mixtures

Ignition delay times are obtained for kerosene/air mixtures behind the reflected shock waves at temperatures between 1445 and 1650 K,at a pressure of 0.11 MPa and an equivalence ratio of 1.0.A nebulization device with Laval nozzle is used to nebulize kerosene and form an aerosol phase,which evaporates and diffuses rapidly behind the incident shock waves.Mixtures auto-ignite behind the reflected shock waves.An ICCD is used to visualize the kerosene/air mixture’s ignition characteristics.The mixture’s ignition intensity increases with increase in initial temperature.Continuous and irregular flames exist below 1515 K while plane and discontinuous flames exist over 1560 K.Ignition delay times decrease with increase in initial temperature.Experimental data shows good agreement with results reported previously in the literature.A new surrogate (consisting of 10% toluene,10% ethylbenzene and 80% n-decane) is proposed for kerosene.Honnet et al.’s mechanism is used to simulate the ignition of kerosene with calculations agreeing well with the experimental data.The sensitivity of reaction H+O2 <=>OH+O,which shows the highest sensitivity to the ignition delay time,increases with an increase in temperature.The chain breaching reaction of CH3 with O2 accelerates the total reaction rate and the H-atom abstraction of n-decane controls the total reaction rate.The rate of production and instantaneous heat production indicate that two reactions,H+O2 <=>OH+O and O+H2 <=>OH+H,are the key reactions to the formation of OH radicals,as well as the main endothermic reaction.However,the reaction of R3 is the main heat release reaction during ignition.Flame structure analysis shows that initial pressure is increased slightly as CO and H2O will appear before main ignition.