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侧向膨胀效应下激波与涡轮平面叶栅相互作用机理研究

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推进技术 2024年第8期45卷 66-79页

作者：李想武郁文李群聂嘉仪翁春生南京理工大学瞬态物理国家重点实验室江苏南京210094

爆轰燃烧具有更低的熵增率和更高的热循环效率,利用旋转爆轰燃烧室替代涡轮喷气式发动机的主燃烧室可以进一步提高其工作性能。为研究旋转爆轰波组合发动机内部的工作过程,建立激波管与涡轮平面叶栅耦合计算模型,考虑激波传播方向的影响... 详细信息

爆轰燃烧具有更低的熵增率和更高的热循环效率,利用旋转爆轰燃烧室替代涡轮喷气式发动机的主燃烧室可以进一步提高其工作性能。为研究旋转爆轰波组合发动机内部的工作过程,建立激波管与涡轮平面叶栅耦合计算模型,考虑激波传播方向的影响,分析激波在侧向膨胀效应下与涡轮叶片相互作用机理,并在此基础上进一步开展可视化实验研究。结果表明:在侧向膨胀效应影响下,激波波阵面从竖直形状转变为弯曲形状,波后气流在直角台阶处形成一个三角形的局部超声速区域,随后弯曲激波与涡轮叶片的前缘处、压力面、吸力面和尾缘处相互作用,在叶栅通道内形成复杂的波系结构。静子叶栅和转子叶栅对压力和温度有着不同程度的抑制作用,当弯曲激波相对于叶片垂直时,叶栅的抑制更为明显。对比分析了实验与数值模拟获得的激波系在涡轮平面叶栅通道内的传播及演化过程,发现激波演化的时空特性高度一致,实验与数值模拟结果吻合良好。观测到弯曲激波在叶片尾缘处发生衍射,波阵面面积明显增大且激波传播方向改变,随着激波继续传播,叶片尾缘处伴随着脱落涡产生。

关键词：旋转爆轰燃烧室侧向膨胀效应涡轮平面叶栅弯曲激波纹影观测

基于大涡模拟方法的三维旋转爆轰流场结构研究

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兵工学报 2024年第1期45卷 85-96页

作者：雷特武郁文徐高邱彦铭康朝辉翁春生南京理工大学瞬态物理国家重点实验室江苏南京210094

为研究环形燃烧室中边界层、黏性、湍流模拟方法对旋转爆轰流场结构的影响,采用开源计算流体动力学软件OpenFOAM,以氢气为燃料、空气为氧化剂,基于大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)方法、RANS方法、Euler方法,分别结合滑移和无滑移... 详细信息

为研究环形燃烧室中边界层、黏性、湍流模拟方法对旋转爆轰流场结构的影响,采用开源计算流体动力学软件OpenFOAM,以氢气为燃料、空气为氧化剂,基于大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)方法、RANS方法、Euler方法,分别结合滑移和无滑移边界,对三维旋转爆轰发动机模型进行数值模拟,分析对比不同计算方法下旋转爆轰流场结构。着重讨论以LES方法得到的流场结构。研究结果表明:当采用滑移边界时内、中、外截面的流场温度无太大差异,当采用无滑移边界时内外壁面温度高于中间截面,边界层会影响近壁区域气体的流动速度,导致内外壁面爆轰波高度低于中间截面,还会影响燃烧产物的流动状态轴向截面上爆轰波波头产生变形;不同湍流计算方法得到的旋转爆轰流场结构存在相似性,黏性是影响旋转爆轰流场结构的主要原因。研究结果对于揭示边界层和黏性对旋转爆轰的影响机制具有一定的科学意义。

关键词：大涡模拟旋转爆轰燃烧室数值模拟流场结构

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涡轮导向器对旋转爆轰波传播特性影响的实验研究

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物理学报 2020年第6期69卷 178-187页

作者：魏万里翁春生武郁文郑权南京理工大学瞬态物理国家重点实验室

为了研究涡轮导向器对旋转爆轰波传播特性的影响,以氢气为燃料,空气为氧化剂,在不同当量比下开展了实验研究.基于高频压力传感器及静态压力传感器的信号,详细分析了带涡轮导向器的旋转爆轰燃烧室的工作模式以及涡轮导向器对非均匀不稳... 详细信息

为了研究涡轮导向器对旋转爆轰波传播特性的影响,以氢气为燃料,空气为氧化剂,在不同当量比下开展了实验研究.基于高频压力传感器及静态压力传感器的信号,详细分析了带涡轮导向器的旋转爆轰燃烧室的工作模式以及涡轮导向器对非均匀不稳定爆轰产物的影响.实验结果表明:在当量比较低时,爆轰燃烧室以快速爆燃模式工作;逐渐增大当量比,爆轰燃烧室开始以不稳定旋转爆轰模式工作;继续增大当量比,爆轰燃烧室以稳定旋转爆轰模式工作,且旋转爆轰波的传播速度和稳定性均随当量比的增大逐渐提高.爆轰波下游的斜激波与涡轮导向器相互作用,涡轮导向器对压力振荡的幅值具有明显的抑制作用,但对压力振荡频率的影响较小.随着当量比的增大,涡轮导向器上下游的静压均同时增大,经过涡轮导向器的作用,涡轮下游静压明显降低.

关键词：旋转爆轰燃烧室涡轮导向器工作特性压力振荡

混气活性对爆震波在突扩段传播特性的影响研究

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推进技术 2016年第5期37卷 826-833页

作者：武郁文韩启祥王家骅南京航空航天大学能源与动力学院江苏南京210016

为研究爆震波经过突扩段的传播特性,实验采用低活性混气C2H2+2.5O2+70%Ar和高活性混气C2H2+2.5O2,测量了爆震波在扩张比为1.34的圆管间传播的速度变化,并运用化学反应动力学分析爆震波动力学参数。结果表明:爆震波在小管出口的速度至多... 详细信息

为研究爆震波经过突扩段的传播特性,实验采用低活性混气C2H2+2.5O2+70%Ar和高活性混气C2H2+2.5O2,测量了爆震波在扩张比为1.34的圆管间传播的速度变化,并运用化学反应动力学分析爆震波动力学参数。结果表明:爆震波在小管出口的速度至多降至0.6倍的Chapman-Jouguet爆震波速。高活性混气触发的爆震波的成功传播是由于在大管产生局部爆炸,随后形成了过驱爆震波。相应地,低活性混气触发的爆震波不会形成过驱爆震波,且波速的波动范围较小。当预混气体压力小于爆震波从小管向大管成功传播的最低压力时,低活性混气触发的爆震波更快地衰减为爆燃波。通过化学反应动力学分析可知,高活性混气的爆震波稳定性参数较高,更容易形成局部爆炸。在最低压力处两种混气的爆震波诱导区长度接近0.8mm,管径与胞格宽度之比接近于1,因此爆震波在圆管中传播的准则可以用于预估爆震波在扩张比为1.34的圆管内能否成功传播。

关键词：爆震波突扩段混气活性传播特性化学反应动力学爆震波动力学参数

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连续旋转爆轰发动机隔离段流场数值模拟研究

弹道学报 2019年第2期31卷 35-41,59页

作者：郭凯欣翁春生武郁文南京理工大学瞬态物理国家重点实验室

为了研究连续旋转爆轰发动机(CRDE)隔离段的反压特性,建立了等直隔离段以及带扩张段的隔离段模型,用FLURNT对这2种构型的隔离段进行三维数值模拟,研究了旋转爆轰波在隔离段内向上游传播的特性,分析了不同结构对流场结构、激波串前传位... 详细信息

为了研究连续旋转爆轰发动机(CRDE)隔离段的反压特性,建立了等直隔离段以及带扩张段的隔离段模型,用FLURNT对这2种构型的隔离段进行三维数值模拟,研究了旋转爆轰波在隔离段内向上游传播的特性,分析了不同结构对流场结构、激波串前传位置的影响;对同一结构,分析了反压大小、旋转速度对其的影响。研究结果表明,反压在隔离段内与附面层相互作用,诱导出复杂激波和膨胀结构,形成了激波串。反压扰动在隔离段中前传的距离与隔离段的构型、反压旋转速度和大小有关:等直隔离段的抗压能力相对更强,反压旋转速度或压力增加,都会使得扰动区域增加。数值模拟结果对CRDE隔离段反压特性研究以及结构设计具有一定参考价值。

关键词：爆轰发动机旋转爆轰反压隔离段流场结构

考虑燃料雾化的气液两相连续旋转爆轰数值模拟

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推进技术 2022年第1期43卷 175-183页

作者：徐高翁春生康楠武郁文郑权南京理工大学瞬态物理国家重点实验室江苏南京210094 中国兵器工业第三〇四厂山西长治046012

为研究气液两相连续旋转爆轰发动机燃烧室内爆轰波的传播特性,以汽油为燃料,富氧空气为氧化剂,建立了欧拉-拉格朗日模型进行二维数值仿真,其中气相方程采用时空守恒元与求解元方法求解,液相方程采用标准四阶龙格库塔法求解。在两相旋转... 详细信息

为研究气液两相连续旋转爆轰发动机燃烧室内爆轰波的传播特性,以汽油为燃料,富氧空气为氧化剂,建立了欧拉-拉格朗日模型进行二维数值仿真,其中气相方程采用时空守恒元与求解元方法求解,液相方程采用标准四阶龙格库塔法求解。在两相旋转爆轰模型还考虑了液滴雾化破碎过程。计算结果表明:起爆后形成的初始爆轰波经过初始燃料填充区域后逐渐衰减,随后入口附近新生成的压力波经过一系列发展形成了自持稳定传播的旋转爆轰波;旋转爆轰波的传播模态受燃料与氧化剂的喷注压力和氧化剂填充比影响,在不同工况下旋转爆轰波呈现出4种传播模态,即稳定单波模态、稳定双波模态、不稳定双波模态和不稳定单波模态;在双波模态工况下,燃烧室内初始只形成1个爆轰波,后由入口附近局部爆炸产生的压力波发展为新的爆轰波,转化为双波模态后爆轰波的强度略有下降,但燃烧室整体推力更加平稳。

关键词：连续旋转爆轰发动机两相爆轰欧拉-拉格朗日模型雾化时空守恒元与求解元方法传播模态

气相与液相两相连续旋转爆轰发动机二维数值模拟

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兵工学报 2020年第S01期41卷 21-29页

作者：徐高翁春生武郁文郑权白桥栋南京理工大学瞬态物理国家重点实验室江苏南京210094

为了研究气相与液相两相连续旋转爆轰发动机爆轰波传播特性及内流场结构,建立气相与液相两相爆轰欧拉-拉格朗日模型,模型中考虑了液态燃料的喷射雾化过程。采用时空守恒元与求解元方法和标准4阶Runge-Kutta法分别求解气相和液相控制方程... 详细信息

为了研究气相与液相两相连续旋转爆轰发动机爆轰波传播特性及内流场结构,建立气相与液相两相爆轰欧拉-拉格朗日模型,模型中考虑了液态燃料的喷射雾化过程。采用时空守恒元与求解元方法和标准4阶Runge-Kutta法分别求解气相和液相控制方程,并对计算得到的燃烧室内流场参数分布进行分析。计算结果表明:最终在燃烧室入口附近形成了连续传播的旋转爆轰波;爆轰波和斜激波分别造成了入口边界和出口边界上的参数间断;旋转爆轰波在传播过程中强度会不断变化。

关键词：连续旋转爆轰发动机气相与液相两相喷射雾化时空守恒元与求解元方法欧拉-拉格朗日模型

旋转反压与离心式压气机叶片相互作用数值模拟研究

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推进技术 2023年第11期44卷 87-98页

作者：夏益青武郁文翁春生李群聂嘉仪南京理工大学瞬态物理国家重点实验室江苏南京210094

由于旋转爆轰燃烧室具有自增压、热效率高的特点,将航空涡轮发动机的燃烧室替换为旋转爆轰燃烧室可进一步提高发动机性能。本文基于非稳态雷诺时均Navier-Stokes方法,采用k-ε湍流模型,针对旋转反压与离心式压气机叶片的相互作用开展三... 详细信息

由于旋转爆轰燃烧室具有自增压、热效率高的特点,将航空涡轮发动机的燃烧室替换为旋转爆轰燃烧室可进一步提高发动机性能。本文基于非稳态雷诺时均Navier-Stokes方法,采用k-ε湍流模型,针对旋转反压与离心式压气机叶片的相互作用开展三维数值模拟,研究旋转反压形成的前传压力波与扩压器及叶轮叶片的相互作用,分析旋转反压传播方向对前传压力波运动过程的影响。结果表明:旋转反压会在压气机内形成前传压力波,其与扩压器和叶轮的叶片相互作用,形成复杂的波系结构。当旋转反压传播方向与叶轮旋转方向相反时,前传压力波的压力峰值在扩压器内先下降后上升,在进入叶轮通道后迅速下降,无法到达叶轮入口。当旋转反压传播方向与叶轮旋转方向一致时,压力波波形发生明显变化,其与扩压器叶片相互碰撞导致强度明显下降,向上游传播距离更短。

关键词：旋转爆轰燃烧室离心式压气机旋转反压压气机流场复杂波系

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预膜式杆射哨超声波喷嘴雾化特性研究

推进技术 2016年第6期37卷 1123-1128页

作者：武郁文韩启祥杨光远王家骅南京航空航天大学能源与动力学院江苏南京210016

为了探索超声波喷嘴应用于脉冲爆震发动机的可行性,设计了一种预膜式杆射哨超声波喷嘴,并采用激光粒度仪和高速相机对其雾化特性进行了实验研究,得到了其流量特性、液滴索太尔平均直径SMD和雾化角度。实验结果表明:在满足喷嘴流量的要求... 详细信息

为了探索超声波喷嘴应用于脉冲爆震发动机的可行性,设计了一种预膜式杆射哨超声波喷嘴,并采用激光粒度仪和高速相机对其雾化特性进行了实验研究,得到了其流量特性、液滴索太尔平均直径SMD和雾化角度。实验结果表明:在满足喷嘴流量的要求下,平均雾化粒径SMD约为20μm,液滴尺寸分布指数N大于2;SMD随油压差的变大而略有增大,随气液比ALR的增加而减小;随着测点距喷嘴出口的距离变大,SMD增大;共振腔距离喷嘴出口15mm时雾化效果最好;喷雾角度随着油压差的增加而增大。

关键词：超声波喷嘴雾化特性流量特性喷雾角度平均粒径