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美国航空航天学会2015年综述报道北京大学连续爆轰发动机进展

2016-12-29  2219

 

由美国航空航天学会(AIAA)出版的美国航空航天期刊(Aerospace America)近期发表了2015年美国及全球航空航天的综述(In Review 2015),并用四分之一的版面介绍了王健平教授领导的北京大学工学院燃烧推进中心连续爆轰发动机的研究进展。


美国航空航天学会2015年综述

综述写道:在中国,北京大学持续开展圆筒燃烧室(他人均采用传统的圆环腔)的实验研究。中国学者在全球同行中取得了重大的进展,特别是在包含所有布局下物理和化学过程真实状态的数值模拟。他们在减小压力震荡和提高性能方面的开展了非常有意义的工作,包括马赫数分布以及收缩-扩张喷管的数值模拟。

连续爆轰发动机是新概念航空航天动力,具有燃烧速度快、易控制、自压缩、体积小、效率高、比冲大、燃料流量和推力大幅可调、可多次熄点火的特点,近年来受到世界各主要国家的关注。综述介绍了美国国防部先期研究计划局(DARPA)、美国空军科研办公室(AFOSR)、美国海军研究办公室(NRO)、美国能源部(DoE)相关项目,以及日本、法国的研究进展。

同传统的火箭、活塞、涡轮发动机的等压燃烧不同,爆轰是与激波紧密耦合的超声速的等容燃烧。以往的连续爆轰发动机燃烧室采用同轴圆环腔结构。燃料和氧化剂从燃烧室头部持续进气并快速掺混。爆轰波通过预爆管被起爆,在燃烧室头部沿圆周方向以1500米/秒-2500米/秒的速度沿圆周方向超声速传播,波后产生波前5倍以上压强、2000K-3000K的高温高压工质。膨胀波将工质沿圆轴方向以亚声速排出,通过收缩-扩张喷管加速膨胀,产生推力,或推动涡轮和压气机做功。


图1连续爆轰发动机燃烧室的温度                               图2 无内柱圆筒连续爆轰发动机燃烧室压强分布


图3 连续爆轰燃烧的三种模态和路径                              图4 连续爆轰燃烧室的示功图


图5 连续爆轰实验的压力信号               图6 连续爆轰实验与数值模拟的比较

王健平教授提出研究燃料粒子燃烧过程和轨迹的粒子跟踪法,发现了三种燃烧模态,证明了粒子的轴向运动特性,并给出了热力学过程的示功图和示热图。这一成果发表在燃烧学顶尖期刊Combustion and Flame (Zhou Rui, Wang Jian-Ping, 2012)上。

王健平教授提出空腔圆筒燃烧室概念,并通过数值模拟和实验验证了可行性。这一结构可以防止内柱烧蚀,省去复杂的冷却系统,减小重量,并能大幅提高燃烧室空间(Combustion & Flame, Xin-Meng Tang, Jian-Ping Wang and Ye-Tao Shao, 2015)。

此外,王健平课题组还对连续爆轰的传播速度、进气极限、喷管效应、激波反射现象、总压突变效果、进气和掺混方式、多波头现象等问题进行了系统的研究。论文发表在Shock Waves, Combustion Science and Technology, Int. J. Hydrogen Energy等顶级期刊上。相关论文它引292次。