液体燃料旋转爆震发动机起爆过程研究

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旋转爆震发动机(Rotating Detonation Engine)具有热循环效率高、推力稳定、结构简单以及燃烧产物污染小等优点。因此RDE爆震推进装置相关课题逐渐受到世界各国科研机构和单位的关注。但目前气相RDE在工程化问题上难度较大,工程上使用气相燃料不仅装填密度低而且危险系数高,同时使用气态燃料的动力推进装置对推进器的体积提出较高要求。因此进行气液两相旋转爆震发动机的相关研究成为RDE工程化的重要部分。基于此,本文将开展以下研究工作:(1)本文对预爆震管的起爆性能做了相关研究,并进行了预爆震管单管起爆实验。实验表明:在采用预爆震管进行单管起爆实验中,增加爆震管内扰流装置的阻塞比,爆震波的压力和波速也随之增加;在本文实验工况下,预爆震管的管径越大,爆震波压力和速度越高;提高预爆震管中推进剂当量比,爆震波传播速度和压力升高较为明显;同时实验发现,在预爆震管的出口处安装型面增强装置,会在一定程度上提高预爆震管内的填充压力,有利于提高爆震波传播速度和压力。(2)基于两相旋转爆震发动机实验台,采用垂直布置的预爆震管成功起爆了两相旋转爆震发动机,获得了稳定自持的旋转爆震波。实验过程中对两相旋转爆震发动机工作过程稳定性进行了分析,得出以下结论:当集气腔和集油腔的压力处于稳定状态时,两相旋转爆震发动机的稳定性较好,爆震波的压力和速度也相对较高;氧化剂的质量流率对爆震波的形成和建立有较大影响,爆震波平均压力和传播频率随着氧化剂质量流率的增大而升高;爆震波在传播过程中出现起爆-熄爆-再起爆的间歇性不稳定传播现象,同时伴随着震荡燃烧和双波模态传播的现象。(3)对两相旋转爆震发动机爆震波建立的影响因素进行探索,实验发现:采用垂直布置的预爆震管能成功起爆发动机并获得自持传播的爆震波,但是在同种工况下采用斜切布置的预爆震管不能起爆发动机;实验过程中尝试了采用火花塞等小能量点火方式进行起爆实验,但均不能成功;实验过程中探索了当量比对爆震波建立的影响,实验得出随着当量比的增加,爆震波速度和压力升高,但是在当量比达到1.8后爆震不稳定现象出现,爆震波速度下降;研究表明,点火时序对爆震波的形成也有较大影响,实验表明,在本文实验工况下,延迟点火时间更有利于缩短DDT时间。(4)采用数值模拟方法对横向射流起爆爆震波进行了二维数值模拟研究,结果显示:在采用横向射流起爆时,射流管布置角度对爆震波传播有较大影响,爆震波在壁面拐角处由于受到膨胀波的影响而发生侵蚀现象,同时爆震波传播过程中受到倾斜程度的影响而导致在不同方向上传播速度发生改变。研究发现,射流管布置位置对爆震波的传播也有影响。本文同时对采用射流管起爆不同曲率半径的燃烧室做了二维数值模拟,阐述了在不同曲率半径下预爆震管起爆爆震波时爆震波的衍射和形成过程。
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