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旋转爆轰燃烧室内煤油裂解气冷流掺混特性研究

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弹道学报 2023年第2期35卷 9-19页

作者：陈昊白桥栋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

为研究旋转爆轰燃烧室内煤油裂解气的冷流掺混特性,使用OpenFOAM对小孔-环缝喷注结构下煤油裂解气的喷射掺混过程进行了二维大涡模拟研究。根据数值模拟结果,系统描述了燃烧室内冷流场的流场结构和可爆轰区域位置,对比分析了喷注压力(... 详细信息

为研究旋转爆轰燃烧室内煤油裂解气的冷流掺混特性,使用OpenFOAM对小孔-环缝喷注结构下煤油裂解气的喷射掺混过程进行了二维大涡模拟研究。根据数值模拟结果,系统描述了燃烧室内冷流场的流场结构和可爆轰区域位置,对比分析了喷注压力(保持当量比不变)、裂解气喷注位置及喷注角度对掺混效果的影响,并用掺混不均匀度定量评价了裂解气与空气的掺混程度。研究结果表明:由于Kelvin-Helmholtz(K-H)不稳定性产生的大尺度湍流涡结构的卷带作用是煤油裂解气与空气混合的主要机制。采用有限速率模型和一步化学反应机理计算得到的煤油裂解气/空气一维可爆轰当量比上、下限分别为2.9和0.4。在空气和裂解气喷注温度分别为300 K、720 K时,增大喷注压力,掺混效果降低;裂解气喷注位置远离燃烧室入口,掺混效果提高;裂解气与空气喷注角度由同向到逆向,掺混效果提高。

关键词：煤油裂解气旋转爆轰冷流掺混大涡模拟

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基于液体碳氢燃料的旋转爆轰燃烧特性研究

爆炸与冲击 2022年第2期42卷 1-16页

作者：丁陈伟翁春生武郁文白桥栋汪小卫董晓琳南京理工大学瞬态物理国家重点实验室江苏南京210094 中国运载火箭技术研究院北京100076

为了探索液体碳氢燃料参与旋转爆轰所产生的不完全燃烧现象,采用守恒元与求解元方法,开展柱坐标系下的汽油/空气两相旋转爆轰燃烧室三维数值模拟研究,针对燃料喷注压力和反应物当量比对旋转爆轰流场结构及燃烧室性能的影响进行分析。分... 详细信息

为了探索液体碳氢燃料参与旋转爆轰所产生的不完全燃烧现象,采用守恒元与求解元方法,开展柱坐标系下的汽油/空气两相旋转爆轰燃烧室三维数值模拟研究,针对燃料喷注压力和反应物当量比对旋转爆轰流场结构及燃烧室性能的影响进行分析。分析结果表明:保持总当量比为1.00,随着燃料喷注压力的上升,燃烧室内燃料不均匀分布增强,产生局部富燃区,燃料在燃烧室未能完全反应,导致燃烧室燃料比冲下降;保持喷注压力不变,减小当量比,在贫燃工况下依然存在局部富燃区,导致燃烧室内出现不完全燃烧现象,降低燃烧室比冲性能。由此可知,反应物喷注方案对气液两相旋转爆轰的不完全燃烧有显著影响。

关键词：气液两相旋转爆轰守恒元和求解元方法不完全燃烧燃烧室

基于乙烯/空气详细反应机理的旋转爆轰过程数值模拟

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弹道学报 2022年第3期34卷 71-79页

作者：崔胜楠白桥栋翁春生孟豪龙吴明亮张世健韩家祥南京理工大学瞬态物理国家重点实验室江苏南京210094

为了研究乙烯/空气的旋转爆轰传播特性,采用OpenFOAM7中rhoReactingCentralFoam求解器,以及乙烯/空气21组分36步基元化学反应模型,对旋转爆轰传播过程进行了二维数值模拟研究。通过改变预混气各组分的质量分数,验证了基元反应在旋转爆... 详细信息

为了研究乙烯/空气的旋转爆轰传播特性,采用OpenFOAM7中rhoReactingCentralFoam求解器,以及乙烯/空气21组分36步基元化学反应模型,对旋转爆轰传播过程进行了二维数值模拟研究。通过改变预混气各组分的质量分数,验证了基元反应在旋转爆轰的可适用性,研究了当量比对旋转爆轰波的影响,分析了旋转爆轰燃烧室的流场结构、压力增益和燃料比冲。研究结果表明:在当量比0.7~1.1范围内旋转爆轰波能够自持传播,其传播模态均为单波;在来流总压0.6 MPa和总温300 K时,压力增益均保持在30%以上,且随当量比的增加旋转爆轰波传播速度、阻塞比、压力增益以及燃料比冲均增大,速度亏损逐渐减小,但随着当量比的增加其增长速率和降低速率呈下降趋势;爆轰波稳定传播时,中间产物OH集中在爆轰波后方和斜激波下游,反映了化学反应阵面的形状。爆轰波传播过程中,由于爆轰波扫过后压力过高,新鲜燃料无法供应,导致温度曲线图出现波动。

关键词：旋转爆轰乙烯化学反应机理当量比压力增益

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旋转爆轰涡轮发动机循环优化及部件损失评估

旋转爆轰涡轮发动机循环优化及部件损失评估

作者：王颖哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

受制于材料等因素,传统涡轮发动机的效率提升几乎已经达到上限,很难大幅度提升效率。爆轰燃烧具有自增压、熵增小等特点,能显著的提高循环的热效率。因此将爆轰燃烧过程应用于涡轮发动机用以提高发动机的热效率成为提高发动机热效率的... 详细信息

受制于材料等因素,传统涡轮发动机的效率提升几乎已经达到上限,很难大幅度提升效率。爆轰燃烧具有自增压、熵增小等特点,能显著的提高循环的热效率。因此将爆轰燃烧过程应用于涡轮发动机用以提高发动机的热效率成为提高发动机热效率的一个研究方向。本文构建了旋转爆轰涡轮发动机的气动热力计算方法,探究了不同的部件参数对旋转爆轰涡轮发动机的循环特性和性能指标的影响。结果表明压气机压比对循环热效率和循环有效功的影响规律与传统涡轮发动机的影响规律相同,且旋转爆轰涡轮发动机的循环热效率和有效功高于传统发动机。本文构建了将压气机分为增压压气机和冷却压气机两个部分的掺混冷却方案,气体经增压压气机增压后,抽出一部分空气引入旋转爆轰燃烧室,另一部分继续进入冷却压气机继续增压变成高压的冷却气体进行涡轮冷却。对抽气的位置进行了讨论,结果表明抽气位置对发动机的循环特性和性能指标会产生影响,且存在最佳抽气位置,最佳抽气位置受压气机压比和涡轮前总温影响。本文还给出了适用于旋转爆轰涡轮发动机超音速进口的涡轮设计方案,并对设计好的涡轮叶栅进行了三维流场分析,探讨了不同进气攻角和稠度对涡轮叶栅性能的影响。对于本文研究的叶栅,研究了进气攻角为0°、±2°、±4°和-5°情况下的叶栅内流动状况。结果表明,在进气攻角为设计攻角0°时,叶栅的总压损失系数为0.165,达到六种工况中的最小值,且设计攻角下的壁面极限流线不会产生明显的回流区和涡,设计攻角下的流动状态较好。针对本文选择的叶栅,还选择了稠度为1.55、1.77、1.95、2.13、2.3、2.48的六组叶栅进行流动分析。结果表明,当稠度为2.13时,总压损失系数最小。随着稠度的增加,流动分离区逐渐减小,当稠度大于2.13时,分离区消失。

关键词：旋转爆轰循环特性冷却超音速进口涡轮

C;H;/CH;/H;混合气旋转爆轰波传播特性数值模拟研究

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推进技术 2022年

作者：吴敏宣白桥栋翁春生孟豪龙韩家祥张世健南京理工大学瞬态物理国家重点实验室

为了研究煤油裂解气旋转爆轰的传播特性，以C;H;/CH;/H;混合气为替代燃料，空气为氧化剂，利用基于OpenFOAM的计算程序rhoReactingCentralFoam开展了该混合气的二维旋转爆轰过程数值模拟研究。研究了进气压力、当量比和混合气组分比例... 详细信息

为了研究煤油裂解气旋转爆轰的传播特性，以C;H;/CH;/H;混合气为替代燃料，空气为氧化剂，利用基于OpenFOAM的计算程序rhoReactingCentralFoam开展了该混合气的二维旋转爆轰过程数值模拟研究。研究了进气压力、当量比和混合气组分比例对旋转爆轰波传播特性的影响，探究了旋转爆轰波在传播过程中模态转变的机理。结果表明：在不同计算条件下旋转爆轰波呈现四种传播模态：单波模态、双波对撞模态、单/双波混合模态以及三波模态。双波对撞时，爆轰波稳定传播，爆轰波波头高度保持一致；在三波模态中，旋转爆轰波的传播方向发生改变。爆轰波模态转变的本质是增大进气压力和当量比后，在爆轰产物与新鲜预混可燃气的接触面上形成利于发生化学反应的环境条件，接触面上发生爆燃产生新的激波，高温高压的激波与新鲜预混可燃气碰撞，进一步提高化学反应速率，获得足够的能量逐渐增强为爆轰波，促进了爆燃转爆轰过程。

关键词：旋转爆轰多组分气体进气压力当量比模态转变机理

燃烧室结构对煤油预燃裂解气旋转爆轰特性的影响

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兵工学报 2023年

作者：韩家祥白桥栋邱晗郑权翁春生南京理工大学瞬态物理国家重点实验室

在固定来流条件下，改变旋转爆轰燃烧室宽度和出口阻塞比，实验研究上述结构对煤油预燃裂解气与空气旋转爆轰传播特性的影响。实验结果表明：适宜的燃烧室宽度和出口宽度能够促进旋转爆轰波 (Rotating detonation wave，RDW)的稳定自持... 详细信息

在固定来流条件下，改变旋转爆轰燃烧室宽度和出口阻塞比，实验研究上述结构对煤油预燃裂解气与空气旋转爆轰传播特性的影响。实验结果表明：适宜的燃烧室宽度和出口宽度能够促进旋转爆轰波 (Rotating detonation wave，RDW)的稳定自持传播，当燃烧室宽度为20mm和26mm，燃烧室出口宽度为4～8mm时，煤油预燃裂解气和空气能够成功起爆并能稳定传播，增加燃烧室的宽度，RDW传播速度和稳定性均有提升；随着出口阻塞比增加，RDW传播模态经历了稳定单波模态、间断单波模态和双波同向模态，阻塞比的增加能提升燃烧室末端反射激波的强度，促进多波头的产生，RDW传播速度和压力随着阻塞比的增加，经历了升高后降低的变化。

关键词：煤油预燃裂解气旋转爆轰燃烧室结构传播模态

乙烯富燃燃气/富氧空气旋转爆轰自起爆现象研究

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推进技术 2023年

作者：邱晗白桥栋韩家祥黄炳耀刘嘱勇翁春生南京理工大学瞬态物理重点实验室

对高温乙烯富燃燃气与富氧空气进行旋转爆轰自起爆过程进行了实验研究。实验抛弃了传统的预爆轰管起爆方式，高温乙烯富燃燃气经过喷注与外壁面碰撞产生局部“热点”，点燃混合气体形成爆燃状态。在壁面摩擦作用以及燃烧室头部激波反射... 详细信息

对高温乙烯富燃燃气与富氧空气进行旋转爆轰自起爆过程进行了实验研究。实验抛弃了传统的预爆轰管起爆方式，高温乙烯富燃燃气经过喷注与外壁面碰撞产生局部“热点”，点燃混合气体形成爆燃状态。在壁面摩擦作用以及燃烧室头部激波反射的综合作用下，爆燃火焰最终会通过爆燃转爆轰过程转变为爆燃/爆轰混合模态，生成稳定传播的旋转爆轰波。当量比会对自起爆成功率造成影响。富氧空气含氧量在40%时，当量比0.52～1.84内发动机均可成功起爆。随着富氧空气含氧量的提升，旋转爆轰波模态分别经历双波对撞、单波以及爆燃/爆轰混合模态。富氧空气含氧量变大会使得爆轰波传播速度增大，富氧空气含氧量为47.4%时获得最大爆轰波传播速度1790.6 m/s。

关键词：组合发动机旋转爆轰自起爆高温富燃燃气富氧空气

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液态燃料旋转爆轰技术研究进展

航空发动机 2022年第5期48卷 101-110页

作者：冯子轩中国航空发动机集团有限公司北京100097

旋转爆轰作为一种新型增压燃烧技术,具有释热速度快、熵增小、可控性强等特点,可大幅改善发动机的推力性能和循环效率,在世界范围内得到了广泛关注和高度重视。针对旋转爆轰发动机设计与应用中面临的诸多瓶颈问题,综述了液态燃料旋转爆... 详细信息

旋转爆轰作为一种新型增压燃烧技术,具有释热速度快、熵增小、可控性强等特点,可大幅改善发动机的推力性能和循环效率,在世界范围内得到了广泛关注和高度重视。针对旋转爆轰发动机设计与应用中面临的诸多瓶颈问题,综述了液态燃料旋转爆轰技术的最新研究进展,分别从试验与数值模拟角度梳理了液态燃料的爆燃转爆轰技术,介绍了气液两相旋转爆轰波的传播特性、敏感影响因素及其调控方法,在此基础上,从起爆、爆轰多物理场组织以及先进测试等3方面展望了未来亟需解决的关键问题和发展方向。在未来一段时间内,实现旋转爆轰波的有效形成、自持稳定传播以及多目标综合性能调控依然是旋转爆轰技术应用于液态燃料发动机面临的重大问题。

关键词：旋转爆轰增压燃烧液态燃料研究进展航空发动机

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旋转爆轰发动机工作过程的数值模拟

推进技术 2014年第12期35卷 1707-1714页

作者：卓长飞武晓松封锋马虎南京理工大学机械工程学院江苏南京210094

为了深入研究旋转爆轰发动机工作过程,采用高精度高分辨率迎风通量分裂格式(AUSMPW+)、氢氧7组分8反应化学动力学模型,求解三维带化学反应的Euler方程。对旋转爆轰发动机工作过程进行了数值模拟,分析了采用预爆轰管点火过程的流场特征... 详细信息

为了深入研究旋转爆轰发动机工作过程,采用高精度高分辨率迎风通量分裂格式(AUSMPW+)、氢氧7组分8反应化学动力学模型,求解三维带化学反应的Euler方程。对旋转爆轰发动机工作过程进行了数值模拟,分析了采用预爆轰管点火过程的流场特征以及整个发动机推力、推力偏心距、侧向力随时间的变化规律。计算结果表明:切向预爆轰管紧贴喷注入口时,点火过程仅产生一道单向爆轰波,能成功点燃旋转爆轰发动机;在本文给定的计算条件下,旋转爆轰发动机平均推力约180N,旋转爆轰波传播频率约为14285Hz;旋转发动机正常工作过程中,推力偏心矩、侧向力随时间周期性变化。

关键词：计算流体力学 Euler方程旋转爆轰点火方式高频振动