很多研究旋转爆轰发动机进行了由于更高的热效率。然而,数量,旋转方向,和旋转爆轰波的强度是多变的流量时,等价比率,流入条件,和发动机方案有所不同。目前的实验结果表明,旋转爆轰发动机的燃烧模式的影响燃烧室方案。环形起爆通道的外直径100毫米,内径80毫米。空气和氢气从60圆柱孔注入燃烧室直径2毫米的圆形通道宽度的2毫米,分别。当空气质量流量增加了氢气流量保持不变,燃烧模式多样。爆燃和扩散燃烧,多个反向旋转的爆轰波,纵向脉冲爆震,和一个旋转爆震波。纵向脉冲爆震和一个旋转爆震波在不同的时间发生在相同的操作。他们彼此之间可能会改变,进化的方向取决于空气流量。操作使用一个旋转爆震波发生在等价比率低于0.60,这是有利于发动机冷却和红外隐形。 The generation mechanism of longitudinal pulsed detonation is developed.
理论上爆轰发动机热效率高于爆燃引擎(即。,conventional engines, such as rocket engines and air-breathing engines) since detonation has a lower entropy production than deflagration. A rotating detonation engine (RDE) is one type of detonation engine being widely studied [
1- - - - - -
6]。可能有一个或多个旋转爆轰波(RDWs)无意中在RDE燃烧室(
7]。化学反应主要发生在爆轰波,虽然仍有可能deflagrative燃烧在墙壁附近(
8反应物和产物之间的]或(
9]。旋转传播和压力增益使爆轰波连续一起燃烧。RDE的初步测试没有任何喷嘴进行了评估推进性能、和真空比冲量341.7年代的氢氧混合物得到[
10]。从理论上讲,rd可能有20%到25%的热效率高于爆燃引擎利用爆轰燃的优势(
11]。RDE使用乙烯和氧燃烧测试被证明对探空火箭实验空间,和73%到90%的最佳实现特定的冲动与收敛喷管(RDE
12]。空气射流Rocketdyne 524热进行消防测试,直到2014年,包括多个推进剂(包括气体和液体燃料),多个喷油器,和多个喷嘴,有或没有瞬态等离子体增强[
13]。
在这项研究中,空气流速与一个常数氢流量10 g / s的变化调查RDE的燃烧特性。测试也模拟不稳定的气流的影响引擎在飞行。它表明,燃烧在一个RDE往往是影响燃烧室结构由于结构有很大的影响的混合燃料和氧化剂。稳定的单一RDW短排气羽流发生在贫燃料条件等价比率低于0.6,操作条件有利于一个RDE应用作为一个吸气式发动机。多个共转爆轰波从未发生在空气流速的范围72 - 740 g / s氢流量10 g / s。
2。实验装置和方法
实验装置及其示意图如图所示
1。实验系统主要由天然气供应部分,数据采集部分,控制部分,点火部分和燃烧室。干流是反应物直接流入燃烧室,支流是通过predetonator流入燃烧室。天然气供应系统,提供氢气和氧气predetonator和hydrogen-air燃烧器,包括气体来源,减少阀门、止回阀、电磁阀、质量流量计,管道。气体来源包括一瓶氧气、六氢瓶,一个大罐压缩空气。氢的来源可以提供一个流的最大总压强12 MPa。空气源可以提供一个流的最大总压力10.5 MPa。减少阀门能够保持恒压阀出口。止回阀防止回流。电磁阀是由计算机程序控制的。 Mass flow meters measure the mass flow rates by sonic nozzles and pressure sensors.
实验设置和燃烧室示意图。
数据采集部分收购压力信号由113 b24 PCB动态压力传感器,凯勒压力传感器PA-23SY,高速相机,和一个数据记录器。两个PCB压力传感器贴上S1和S2在图
1在同一轴向安装在燃烧器作为predetonator的地位。沿燃烧室的夹角周长是180°。传感器涂以硅树脂高温保护他们的爆轰的产品。采样频率是1 MHz。由一个高能火花塞和点火部分predetonator长度为200毫米,内径10毫米。点火频率是28赫兹,点火时间持续50微秒。predetonator是无意中与燃烧室的爆轰波进入燃烧室进行不对称。在启动阶段,氢和氧的气体供应系统流入predetonator,点燃的火花塞安装在predetonator的负责人。爆燃波产生的点火和predetonator逐渐发展成爆轰波,一个过程表示爆燃向爆震(DDT)的过渡。然后,爆轰波进入燃烧室最后使旋转环形燃烧室并没有直接联系。 The combustor has the following main geometric parameters: annular channel outer diameter of 100 mm, channel length of 117 mm, and channel width of 10 mm. Air is injected axially into the channel through 60 holes of 2 mm diameter. Hydrogen is injected centripetally into the channel through a circumferential slot of 2 mm width. Hydrogen and oxygen are, respectively, 1 g/s and 8 g/s for the tributary.
表
1给出了等价比率,燃烧模式,RDW速度不同的空气质量流率在稳定阶段。MCRDWs SRDW, LPD表示多个反向旋转的RDWs,单个RDW约1200 m / s的速度,分别和纵向脉冲爆震。单个RDW大致规律和周期性的压力产生的痕迹,而多个反向旋转的RDWs产生不规则的压力因为RDW碰撞痕迹往往使RDWs不稳定,再次成为稳定。本研究讨论的燃烧模式稳定阶段如果没有指定。NA表示“不适用”,这意味着没有旋转爆轰。RDW速度计算的外直径100毫米的爆轰通道和平均周期之间的两个相邻压力峰值记录的PCB压力传感器在稳定阶段。流场是基本稳定在稳定阶段。瞬态阶段的启动过程,在此期间,流场变化很大。这个过渡阶段也使得RDW不稳定。关机过程不是这里讨论。
空气质量流量、燃烧模式,RDW速度不同的等价比率氢质量流率10 g / s。
气流(g / s)
等价比率
燃烧模式
RDW速度(米/秒)
72年
4.78
爆燃和扩散燃烧
NA
103年
3.35
爆燃和扩散燃烧
NA
135年
2.56
MCRDWs
NA
175年
1.97
MCRDWs
970年
215年
1.60
MCRDWs
949年
255年
1.35
MCRDWs
959年
286年
1.21
MCRDWs
916年
350年
0.99
MCRDWs
872年
398年
0.87
MCRDWs
659年
430年
0.8
MCRDWs
594年
469年
0.74
LPD
NA
510年
0.68
LPD
NA
541年
0.64
SRDW
1210年
573年
0.60
LPD
NA
605年
0.57
SRDW
1222年
636年
0.54
SRDW
1222年
676年
0.51
SRDW
1215年
708年
0.49
SRDW
1208年
740年
0.47
SRDW
1194年
3.1。爆燃和扩散燃烧
爆燃和扩散燃烧发生在燃烧室的空气质量流率范围72 - 103 g / s(条件),运行的空气质量流量72 g / s为实例进行了分析。跟踪在图的压力
2是不规则的,压力很低,表明RDWs没有形成。同时,空气的排气羽流流率72 g / s很长,长度约1.5米,表明燃烧存在在燃烧室。燃烧室端,作为一个虚张声势的身体,稳定了爆燃,扩散燃烧引起的未燃烧的燃料与空气的混合。这是扩散燃烧导致排气羽流。自燃烧在燃烧室,推力很低,不符合发动机运转的必要条件。很容易理解,爆炸不能等价比率太高时形成的。实际上,压力传感器测量了稳定流动没有在燃烧室燃烧,但PCB动态压力传感器不能捕捉静态压力。因此,在图的压力
2几乎是零。指出,爆炸发生在启动过程中但没有维护。未知的信号是随机的,可能是电磁干扰。
压力痕迹通过S1和S2的空气质量流量72 g / s。
全局视图
特写镜头
3.2。多个反向旋转的RDWs
多个反向旋转的RDWs (MCRDWs)发生的空气质量流率范围135 - 430 g / s (B)条件。多个RDWs之间的碰撞引起的平均RDW速度低于1000 m / s。典型的压力等条件如图痕迹
3350年空气质量流量的g / s。压力峰值变化显著,没有周期性,因为RDW碰撞在大部分时间。RDW碰撞事件进一步证实了高速图像如图
4(曝光时间1/50000年代)。有三个RDWs在400.34毫秒,但低于400.34毫秒后没有被观察到,或许因为它变得太弱了。箭头表示RDWs的移动方向。当两个RDWs彼此相撞在400.36 - -400.40毫秒,反应速率和温度增加,碰撞区域非常明亮。碰撞后,RDWs成为稳定和略暗。碰撞引起的机械能量损失和较低的平均速度比SRDW MCRDWs表所示
1。事实上,条件B近化学计量或略丰富的氢。因此,反应物的点火能量较低的条件下更容易和爆炸冲击波发起,在rd(很常见
22]。爆炸导致两个反向旋转的RDWs,其中一个老RDW会面。爆炸却频繁和RDW碰撞,导致不规则压力峰值之类的人物
3。尽管压力峰值没有良好的周期性,仍有一个占主导地位的2786赫兹的频率,如图
3 (d)。流场条件下不稳定,因为碰撞爆炸没有充分发展。因此,爆效率不够高,无法充分利用爆轰燃。
压力痕迹通过S1和S2的空气质量流量350 g / s。
全局视图
特写镜头
特写镜头
快速傅里叶变换为S1
爆炸事件被高速旋转摄像头,50000 fps。
3.3。纵向脉冲爆震
纵向脉冲爆震(LPD)发生在燃烧室的空气质量流率范围469 - 510 g / s (C)条件。例如,S1和S2的压力峰值510 g / s图
5 (c)重合,表明爆震波S1和S2轴向移动,而不是无意中从不同方位位置,但同一轴向位置。在图0.443毫秒的LPD周期
5(一个)近似地同意在图2244赫兹的频率
5 (d)。然而,瞬态阶段略高爆轰压力比稳定阶段和更短的周期,因为一个旋转爆震波(SRDW)存在在瞬态阶段。证实了SRDW备用的山峰S1和S2的人物
5 (b)。S1的山峰大约两个邻国之间的中点S2山峰,同意关系,传感器S1和S2 180度角。LPD通常是一个弱爆轰波不是很发达的自爆通道的长度只有117毫米和DDT(爆燃向爆轰转变)拿起只有长度的一部分,而一个RDW通常是稳定和足够强大的自旋转长度是无限的。当单一RDW削弱了一些未知的冲击波和吹走,LPD发生。LPD是由于窒息RDC的反射波(旋转爆轰燃烧室)退出,不存在没有喉咙时RDC出口(
27]。然而,LPD还发现在文献[
26),没有喉咙RDC退出,但没有详细的生成机制。此外,也没有喉咙的RDC退出本研究。因此,应补充LPD的生成机制。LPD造成回流和伟大的流动损失,减少推进性能。LPD旋转爆轰发动机的应用是有害的。
压力痕迹通过S1和S2的空气质量流量510 g / s。
全局视图
瞬态阶段,SRDW
稳定阶段,LPD
快速傅里叶变换为S1
纵向脉冲爆震发生在稳定阶段的空气质量流率573 g / s,如图
6 (c)。很难理解为什么这发生在D流量范围的条件,这是一个RDW的速度约1200 m / s。事实上,541年的空气流速,573,和605 g / s三分的燃烧模式从LPD SRDW,众所周知在桌子上
1。因此,运行三个流量并不健壮,往往受到未知扰动的影响,导致燃烧模式被改变。
压力痕迹通过S1和S2的空气质量流量573 g / s。
全局视图
瞬态阶段
稳定阶段,LPD
3.4。单一RDW
单一RDW (SRDW)发生,速度约1200 m / s的空气质量流率范围541 - 740 g / s (D)条件。RDW速度72% CJ值的-75%。减少有效的反应速率,据称由湍流诱导反应区扩大,产生低波速(
30.]。结果如图
7和
8。操作更高的空气质量流率并没有进行,因为它是有限的实验装置。很难点燃燃料中的反应物精益条件,和新RDWs不能引起的冲击波。因此,单个RDW保持旋转燃烧室的稳定条件d RDW等价比率下降的速度是降低条件d发散RDW成立时,爆轰波进入了爆轰predetonator频道,因为爆炸通道反应物在点火时间。发散RDW包含两个反向旋转的方面和两方面,分别移动的上游和下游。这两个反向旋转的RDW方面彼此相撞。前面移动墙上游与燃烧室头部相撞,造成反射激波。一起RDW碰撞和反射激波压力峰不规则和不定期启动时间图
8 (b)。单个RDW成立永久RDW碰撞事件结束后,但仍不稳定,主要受冲击波产生的启动时间。随着冲击波失败,稳定SRDW图
8 (c)成立。这是稳定阶段。如何多个RDWs彼此相撞产生一个RDW数值解释在文献[
22]。短时傅里叶变换图
8 (d)对压力进行了跟踪S1,表明RDW频率为3920赫兹。RDW周期0.255女士得到的频率非常接近的RDW周期直接从压力跟踪获得0.256毫秒。
压力痕迹通过S1和S2的空气质量流量605 g / s。
全局视图
瞬态阶段,LPD
稳定阶段,SRDW
从LPD SRDW
压力痕迹通过S1和S2的空气质量流量636 g / s和短时傅里叶变换压力跟踪S1。
全局视图
SRDW瞬态阶段,不稳定
稳定阶段,SRDW
短时傅里叶变换
一些压力峰值期间S1和S2的瞬态相图
7 (b)是一致的,表明LPD发生。LPD周期约为0.410毫秒。假设一个未知的冲击波LPD加剧,导致爆炸和高峰图的过渡
7 (d)。然后,一个RDW成立由于反应物内部的爆炸。运行的原因包括LPD的过渡阶段和稳定阶段一个RDW很好理解,因为流率在一个点燃烧模式从LPD SRDW,如表所示
1。模式过渡的关键之处也解释了为什么空气质量流率的瞬态阶段605 g / s和573 g / s的稳定阶段LPD的燃烧模式,如图
6 (c)和
7 (b)。然而,没有LPD而是一个不稳定的SRDW在瞬态阶段运行的空气质量流量636 g / s,进一步证实了空气流量和SRDW高之间的关系。得出一个RDW LPD或成立多个反向旋转的RDWs。
连续高速图像(20000帧每秒,曝光时间1/20000 s)在稳定阶段在图
9进一步确认的存在一个RDW逆时针旋转的空气流量708 g / s。单一RDW稳定,良好的燃烧和推进性能。单一RDW特别是在贫燃料条件可以应用到吸气式发动机燃烧室内部的温度很低,因为排气羽流很短,操作条件,这将有利于红外隐形。
连续高速图像RDW逆时针旋转,20000 fps和气流708 g / s。
RDW或LPD周期从压力痕迹获得一些空气流速图所示
10。计算条件B的周期是困难,因为不稳定的RDWs并非如图
10。单个RDW点火后产生的空气流速510和573 g / s和导致更短的周期。然后,周期增加,因为不稳定RDW转向纵向脉冲爆震的情况下。然而,纵向脉冲爆震形成在瞬态阶段,然后转向一个RDW,导致动态压力的循环空气流速下降541和605 g / s。