煤油两相连续旋转爆震发动机喷注雾化及工作特性研究

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煤油两相连续旋转爆震发动机(CRDE)在推进领域有广阔的应用前景。本文对煤油燃料两相连续旋转爆震发动机喷注器喷注雾化特性、发动机点火起爆过程以及爆震波在发动机中的传播特性进行了系统研究,对两相CRDE的工作特性进行总结,并将两相CRDE与气相CRDE的工作特性进行对比。采用实验研究与数值仿真相结合的手段对两相CRDE喷注器的喷注雾化特性进行了系统研究。设计了两种构型喷注器:一种为“喷孔-环缝”式喷注器,氧化剂气体从环缝喷入燃烧室,煤油从小孔喷入燃烧室;另一种为“喷孔-喷孔”式喷注器,氧化剂气体和煤油均从小孔进入燃烧室。利用基于激光散射相位多普勒分析(PDA)技术对喷注器的雾化流场进行了测量,并利用测量数据对雾化流场的SMD进行计算,发现两种喷注器雾化流场中喷雾中心的SMD相比喷雾两侧较大。经过实验发现喷孔-环缝型喷注器的雾化均匀度与雾化细度较好。因此对喷孔-环缝型喷注器进行重点研究,研究了该喷注器在不同煤油/氧化剂喷注总压、环缝宽度、煤油孔喷注位置、氧化剂来流总温下雾化流场的结构与特性,得到该喷注器的流量特性以及煤油液滴直径分布、速度分布和喷雾锥角等参数的变化规律。采用同样方法对“喷孔-喷孔”型喷注器的雾化流场进行系统研究,对两种喷注器雾化流场的特点进行总结,并对比了两种喷注器的雾化特性。两相CRDE实验中采用射流管对发动机进行点火起爆,对采用H2/O2工质的射流管的工作过程进行系统研究。在安装扰流丝的射流管中,对射流管的点火、火焰加速到形成爆震波的过程进行数值研究,并对爆震波在射流管中的反射汇聚现象进行了分析。通过计算发现爆震波反射汇聚可以增大爆震波的温度,对两相CRDE的点火起爆有利。利用实验手段对射流管出口处不同氢氧流量下的爆震波压力进行测量与总结。采用实验手段对煤油两相连续旋转爆震发动机工作特性进行系统研究。鉴于“喷孔-环缝”型喷注器雾化流场品质较好,两相CRDE的喷注器选择“喷孔-环缝”构型。使用煤油/富氧空气和煤油/氧气组合推进剂在不同工况下燃烧流场中测量得到的高频压力数据进行FFT处理,利用高频压力的时域、频域特征对爆震波的传播特性进行分析,并计算出爆震波的传播速度与频率。在富氧空气来流条件下,两相CRDE处于单波模态下工作;氧化剂来流为纯氧时,两相CRDE处于双波模态下工作,并且此时爆震波传播过程表现出很强的非定常性,具体表现为爆震波波头稳定位置沿两相CRDE轴向移动。实验中采用不同含氧量的氧化剂来流进行热试车,得到了爆震波传播速度随氧化剂来流中的含氧量变化的定量关系。在当量比为0.799~0.939的富氧工况下,爆震波的速度随着氧化剂中含氧量比的升高而逐步增大。在当量比为1.050~1.222的富燃工况下,爆震波速度随着氧化剂中含氧量的增加呈现出一种线性增长的趋势。对气相和两相连续旋转爆震发动机工作特性进行对比,总结了两者中的相同点与不同规律。基于数值模拟方法计算了气相CRDE从起爆到发动机正常工作的过程,并得到了不同当量比与不同喷注总压下爆震波传播速度、工作频率、以及发动机的推力和比冲等性能参数。气相CRDE的工作过程中也存在非定常特性,具体表现在爆震波波头高度的周期性变化上。研究发现两相CRDE中爆震波释热率相比气相要慢,并且氧化剂中含氧量对两相CRDE中爆震波的传播速度影响很大。对两相和气相CRDE壁面的烧蚀程度进行对比,相比气相CRDE壁面的严重的烧蚀程度,而两相CRDE中的内外两侧壁面的烧蚀现象并不严重。结合喷注器喷注雾化研究结果,发现两相CRDE中两侧壁面存在液滴富集,降低了发动机壁面的烧蚀程度。
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