旋轉爆轟的中頻不穩定性研究

《旋轉爆轟的中頻不穩定性研究》是依託北京化工大學，由王宇輝擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：旋轉爆轟的中頻不穩定性研究
• 依託單位：北京化工大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王宇輝

項目摘要

旋轉爆轟的不穩定性包括低頻、中頻和高頻不穩定性，不穩定性影響發動機的壽命和推進性能。本項目將通過理論、實驗和數值模擬手段研究中頻不穩定性的產生機理，所得結果可以互相對比和補充。燃料和氧化劑分別為氫氣和氧氣或空氣。中頻不穩定性具有頻率和幅值屬性，理論推導頻率公式是本研究的特色。實驗採用氣體質量流量計、PCB壓力感測器、麥克風和電阻式溫度感測器等設備測量旋轉爆轟的相關參數，並通過高速紋影攝影技術觀察其演化規律。數值模擬使用隱式算法、非定常密度基求解器、三維粘性模型，以及一步反應或詳細反應機理的反應模型。中頻不穩定性本質上是激波或膨脹波和旋轉爆轟相互作用的結果，中頻的頻率大小則是燃燒室特徵尺寸和當量比所決定的。因此，我們將通過改變燃燒室的結構和尺寸以及當量比，研究旋轉爆轟的中頻不穩定性變化規律。激波和膨脹波的傳播規律，以及它們和旋轉爆轟的相互作用機制是本研究的關鍵科學問題。

結題摘要

旋轉爆轟的不穩定性包括低頻、中頻和高頻不穩定性，不穩定性影響發動機的壽命和推進性能。本項目通過實驗和數值模擬研究中頻不穩定性的產生機理及基於乙烯的旋轉爆轟發動機燃燒科學技術問題。弄清了旋轉爆轟中頻不穩定性的影響因素為預爆轟管和激波，研究了旋轉爆轟波與激波和膨脹波的相互作用機制。在一定範圍內，減小燃料孔面積，可以加強旋轉爆轟波。燃料孔面積較小，不利於吸收壓力波，那么反射激波較強；在壁面和爆轟波之間傳播的較快反射激波導致旋轉爆轟中頻不穩定性頻率更高。預爆轟管周期性削弱旋轉爆轟波，導致旋轉爆轟波的中頻不穩定性。膨脹波傳播到旋轉爆轟波後方，會導致反應物侵入該區域，被燃燒產物點火產生新的旋轉爆轟波。設計出了具有較強穩定性的旋轉爆轟發動機，通過減小燃料孔面積和空氣環縫面積，提高了流動穩定性，減小了穩壓室和爆轟腔的聲學耦合。首次在常溫下實現乙烯的非預混吸氣式旋轉爆轟發動機燃燒技術，該技術為吸氣式旋轉爆轟發動機的亞聲速到高超聲速寬工況範圍工作奠定了基礎。空筒燃燒室環腔外徑100 mm，長151 mm。對於空氣流量465–689 g/s，當量比 0.47–1.06，旋轉爆轟波速度為1256–1653 m/s，大部分速度超過理論值的80%。發現兩種不可維持的旋轉爆轟波。第一種發生在爆轟波存在的當量比邊界上。第二種是由於旋轉爆轟波高度變化引起爆炸導致的。爆轟波高度變化使得反應物遇到來自預爆轟管的高溫產物，從而爆炸。由於改變爆轟波高度的壓力波隨機，第二種爆轟波也是隨機和罕見的。對於具有塞式噴管的發動機，單爆轟波存在當量比上下界限。低於下界，為縱向脈衝爆轟波；高於上界，為多個反向爆轟波。下界當量比約為0.60，獨立於空氣流量和喉部寬度。當量比在下界附近，縱向脈衝爆轟波先產生，再轉變為單個旋轉爆轟波；當量比在合適範圍，直接起爆單個旋轉爆轟波。