新概念脉冲爆震发动机的探索性研究

综述了国外脉冲爆震发动机研究的进展,介绍了作者在脉冲爆震发动机探索性研究方面的成果:对脉冲爆震发动机的热力循环进行了分析,修正了比冲计算公式;发展了一种新的低能量(50mJ)单级起爆系统;采用爆震性较差的液体燃料C 8 H 16 /空气混合物,成功地进行了两相脉冲爆震发动机原理性试验,所测量的爆震波压力比非常接近充分发展的C-J爆震;实验研究了脉冲爆震发动机的直径、长度以及爆震频率对其性能的影响;突破了将脉冲爆震发动机长度缩短到1m,爆震频率提高到36Hz的关键技术;发展了脉冲爆震发动机工作过程的数值模拟程序,计算结果与试验符合良好.     

填充系数对脉冲爆震发动机性能影响分析

推导了守恒元与求解元(CE/SE)方法的计算格式,用于对几种不同填充系数的脉冲爆震发动机内流场进行计算,发现CE/SE方法是一种较好的爆震波模拟方法,能够有效地捕获爆震波等强间断.计算结果表明:填充系数对脉冲爆震发动机性能影响较大,填充系数越大.产生的平均推力就越大、比冲越大;减小填充系数可以增加燃料的效率.计算结果对改进或优化脉冲爆震发动机性能具有一定的参考价值.     

基于特征线的脉冲爆震发动机性能估算与结构参数设计

在x-t平面建立了脉冲爆震发动机(PDE)爆震室内爆震波传播过程的物理模型,在此基础上应用特征线算法给出了一种脉冲爆震发动机性能参数估算方法,确定了PDE性能参数与结构参数之间的定量关系,建立了PDE结构参数的设计方法。用算例对不同推力水平的脉冲爆震发动机结构参数进行了设计与分析,为脉冲爆震发动机设计与应用提供理论依据。     

脉冲爆震发动机性能参数计算方法

脉冲爆震发动机作为一种新兴的动力装置,以其优越的性能受到了越来越高的重视。该文简要介绍了基于非稳态燃烧的脉冲爆震发动机有关问题,并采用一维非定常流及一维定常爆震波（ZND）数学模型,确立了脉冲爆震发动机主要性能参数的计算方法。最后将算例的计算机与常规液体火箭发动机及固体火箭发动机的相关参数作了对比,脉冲爆震发动机具有更优越的整体性能,因此,有必要对它进行更进一步的研究。     

脉冲爆震发动机非接触推力测试 理论与实验研究

对非接触推力的产生原理进行了理论分析,并利用CFD软件,对影响该测量方法精度的发动机气动因素进行了数值分析。结果显示非接触方法在尾喷管出口气流为低压、高温、高流量且承接板安装较近的情况下,测量损失较小。通过火箭式爆震发动机推力测量实验,研究了爆震发动机频率以及承接板安装位置对非接触式推力测量结果的影响。实验结果表明,承接板上的测量推力会随承接板到发动机尾喷口距离的增加而减小,高频情况下的相对误差比低频情况下小,实验结果与数值模拟一致。     

一种基于缸内压力波检测的汽油机爆震控制系统

对利用检测缸内压力波进行爆震判别与控制进行了研究，采用经过爆震频率带通滤波后的缸内压力波的峰值作为衡量爆震强度的指标，通过实验确定判别爆震发生的门坎值．考虑到爆震指标分布的特点，采用统计的方法确定爆震的强度，并且根据爆震强度对点火提前角进行控制，使发动机工作在轻微爆震状态，经济性和动力性得到了提高     

吸气式脉冲爆震发动机钝体气动阀的设计与实验研究

在吸气式液体燃料脉冲爆震发动机(PDE)协调工作基础上, 为了保证进气效率、减小阻力、提高爆震性能、增加推力, 设计了一种钝体气动阀。该钝体气动阀的进气道和钝体推力壁直径与爆震管直径相同, 推力壁设置圆柱形凹槽, 在钝体外侧设置环形通道, 钝体与环形通道出口保持合理间隙。实验证明: 不同爆震管直径的钝体气动阀PDE能够协调工作, 其爆震燃烧性能优于旋流气动阀, 在气动阀前方供油的爆震燃烧性能优于后方供油。     

轨/姿控火箭发动机推力动态测试系统建模分析

根据轨/姿控火箭发动机脉冲点火方式下动态推力测试的特点和要求,设计了推力动态测试系统并进行动力学建模,采用模态分析理论研究系统的动态性能.并进行幅频特性与相频特性分析,为该系统在微阻尼条件下测试的不失真提供了理论依据.结合该模型,对测试信号进行傅里叶变换,通过系统幅相频特性与不同频率信号进行代数运算的方法,求得了测试系统动态测试误差,从理论上证明测试系统动态性能满足设计要求.     

桥梁墩柱损伤动力测试分析及评价

采用环境随机激励法和脉冲激励法两种方法,利用动力测试技术,对受损桥墩进行测试。通过桥墩理论频率计算值与桥墩实测频率值比较,无损桥墩频率值与损伤桥墩频率值比较,对受损桥墩的整体工作性能进行了综合评价,以探讨一种对受损桥墩的快速检测方法。     

载荷识别技术在火箭推力偏心测试中的应用

目的 研究将载荷识别技术应用于火箭发动机推力偏心测试,用载荷识别方法提高推力偏心测试精度。方法 推导火箭发动机推力载荷识别的基本关系式,对推力偏心测试装置进行动态特性测试,获取其动态传递函数矩阵,用推力偏心测试得到的响应数据反求火箭发动机推力载荷。结果 获得了某火箭发动机的推力偏心角数据。结论 载荷识别技术应用于火箭发动机推力偏心测试,方法简便,数据处理可靠。     

微爆轰推力器的冲量研究

利用瞬时爆轰假设以及小药量线性近似,假设推力单元内的微量含能材料的爆轰反应在瞬时完成,从理论上计算了微爆轰推力单元在真空中的冲量和推力,并在此基础上研究了含能材料的爆热、产物的等熵指数以及喷管的长度对单元的冲量和推力的影响,并通过数值模拟得到喷管底部压力曲线及单元冲量随喷管药柱长度比的变化.结果表明,推力单元的冲量随装药质量、等熵指数和比爆热的增大而增加;为了获得理想的推进性能,喷管的长度不能小于装药长度的4倍.     

三维爆震引射增推性能数值计算及验证

本文对三维圆形爆震室引射增推性能进行了数值模拟和试验验证。应用数值方法对爆震波衰退为激波后的传播、排除过程进行了多循环模拟,分析了三维爆震波非稳态引射流场的变化过程,得到了与文献一致的结果;对多循环爆震引射过程的瞬时推力、冲量以及爆震室出口的质量流量进行了分析研究;引射喷管在不同位置处时对爆震室的推力增量值进行了对比,发现在引射喷管轴向位置X=0mm处时推力增量达到最大值,试验验证了这一结论。     

近临界马赫数条件下楔形诱导斜爆轰数值模拟

在爆轰推进技术的有关研究中,形成稳定的爆轰波对于爆轰发动机产生稳定推力至关重要.通过理论推导确定了斜爆轰角与来流马赫数间的曲线关系,并给出临界马赫数.进一步采用一步总包反应模型,开展近临界马赫数条件下有、无黏性扩散的斜爆轰大尺度数值模拟.针对临界马赫数近CJ特征的斜爆轰,有、无黏性两种情况下的模拟结果表明,近临界马赫数条件下斜爆轰存在CJ爆轰上行现象,爆轰驻定后,具有全局波动特征.      

单循环脉冲爆轰发动机的数值模拟

对高温火团引发的甲烷-空气混合气体的爆轰过程及管内、外流场做了二维轴对称数值模拟，考虑了CH4-O2-N2的详细化学反应动力学机理，该机理包含了19个基元反应和14种组分。采用分裂格式处理带化学反应的Navier-Stokes方程，使用改进的波传播方法求解流场，使用基于隐式Gear算法的微分方程解法器求解化学反应过程。模拟结果显示了爆轰波在管内的成长、稳定传播、进入喷嘴后衰减为激波以及进入外流场的全过程。还对轴线上的压力分布和封闭端的推力等进行了讨论，为脉冲爆轰发动机的开发研制提供信息。     

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.     

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.     

旋转爆轰发动机的有效工作直径设计

采用单步化学反应模型,忽略黏性、热传导和扩散效应等对流动的影响,对流项采用5阶WENO格式进行离散,时间步进采用3阶精度的Runge-Kutta方法,对以H₂/Air为反应混合物的旋转爆轰发动机进行二维数值模拟,研究发动机有效工作的直径范围.研究表明:旋转爆轰发动机在特定条件下的临界直径为0.51倍的轴向长度l,只有大于临界直径时发动机才能正常工作;且随着直径增大,发动机推力、比冲、爆轰波高度和传播速度逐渐增大;通过Lagrange二次插值得到发动机直径上界的近似值为2.80l;以l作为长度单位,得到旋转爆轰发动机有效工作的直径范围为:0.51 ≤ L* ≤ 2.80.      

摆动频率影响扑翼推进水动力的数值仿真研究

通过建立简谐运动耦合的二自由度扑翼运动模型,基于动网格技术对水下扑翼推进水动力特性展开数值仿真研究。通过数值仿真发现：扑翼推进力和最大升力与扑翼摆动频率的平方近似成正比;摆动频率影响前沿涡和尾涡的产生和脱落,从而影响推力