Исследование способов воздействия на процесс горения в эжекторном пульсирующем воздушно-реактивном двигателе с целью улучшения его удельных показателей

Проблема исследования рабочего цикла пульсирующего воздушно-реактивного двигателя важна в контексте возникновения вибрационного горения, а также перехода горения в детонацию. Характеристики ПуВРД с детонационным горением должны быть значительно выше характеристик воздушно-реактивных двигателей. В статье представлены результаты поиска способов повышения удельных показателей бесклапанного эжекторного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя. Приводятся результаты огневых испытаний двигателей с частичной конверсией исходного топлива и генерацией в процессе рабочего цикла пероксидов и активных центров, получаемых во время протекания холоднопламенных реакций. В результате экспериментов получено смещение зон горения в двигателе вниз по течению в область рециркуляционной зоны. Проведенное численное моделирование показало приемлемое для инженерных расчетов совпадение с экспериментом. Получено увеличение реактивной тяги двигателя за счет частичной конверсии топлива и сдвига зоны воспламенения. Переход горения в детонацию приводит к значительному снижению ресурса двигателя. Обсуждаются полученные результаты и новый метод воздействия на рабочий процесс, основанный на сдвиге зоны горения. Показано, что увеличение скорости горения топливовоздушной смеси приводит к смене механизма акустической обратной связи.

1. Раушенбах Б. В. Вибрационное горение. – Москва: Физматгиз, 1961.

2. Неустойчивость горения в ЖРД / под ред. Д. Т. Харрье и Ф. Г. Рирдона. – Москва: Мир, 1975.

3. Нестационарное распространение пламени / под ред. Дж. Г. Маркштейна. – Москва: Мир 1968.

4. Stonik O. G.; Geshele V. D.; Kovalev S. A. et al. Vibratory Combustion, Problems and Investigation Methods. J Eng Phys Thermophy, 2022, 95, 1282-1289. https://doi.org/10.1007/s10891-022-02595-8

5. Mothilal T., Raj Kamal M. D., Ragothaman G., Sanjeevi D. Design of Compound Pulse – Jet Engine, International Research Journal ofAutomotive Technology, 2018, 1(2), 16-21.

6. Buyakofu, V.; Matsuoka, K.; Matsuyama, K. Flight Demonstration of Pulse Detonation Engine Using Sounding Rocket S-520-31 in Space. Journal of Spacecraft and Rockets. 2022, 60. 1-9. http://dx.doi.org/10.2514/1.A35394.

7. Фролов С. М., Аксенов В. С., Иванов В. С., Шамшин И. О., Набатников С. А. Бросковые испытания беспилотного летательного аппарата с прямоточным воздушно-реактивным импульсно-детонационным двигателем // Горение и взрыв. – 2019. – Т. 12, № 1. – С. 63-72.

8. Прямоточные воздушно-реактивные двигатели. Бондарюк М. М., Ильяшенко С. М. Оборонгиз, 1958. – 391 с.

9. Инициирование детонации в смеси природного газа с воздухом в трубе с фокусирующим соплом. Фролов С. М., Аксёнов В. С., Скрипник А. А. ДАН, Физическая химия, 2011, Т. 436, № 3, С. 346-350.

10. Bhatt Meet, Jani Dharmarth, Dhaval Padsala, Patel Dhaval. A Review on Pulse Detonation Engine. JETIR, 2017, 4 (7), 150-153.

11. Li Ch., Hu Ch., Xin X., Li Yu., Sun H. Experimental study on the operation characteristics of aluminum powder fueled ramjet. Acta Astronautica, 2016, 129, 74-81. http://dx.doi.org/10.1016/j.actaastro.2016.08.032

12. Ikeda D., Iwamoto J. A Pulsating Flow in a Pipe and the Visualized Flow Pattern of the Jet from the Pipe. Proceedings of ESDA 2006 8th Biennial ASME Conference on Engineering Systems Design and Analysis, 2006, July 4-7, 1-8.

13. Gitan A. A., Zulkifli R., Sopian K., Abdullah Sh. Twin Pulsating Jets Impingement Heat Transfer for Fuel Preheating in Automotives, Applied Mechanics and Materials, 2014, 663, 322-328. Doi: 10.4028/www.scientific.net/AMM.663.322

14. Gong Jishuang; Ma Hu. Experimental Study on Pulse Detonation Engine with Two-Phase Inhomogeneous Mixture. International Journal of Aerospace Engineering, 2020, 8816807, https://doi.org/10.1155/2020/8816807

15. Gieras M., Trzeciak A. A new approach to the phenomenon of pulsed combustion, ExperimentalThermal and Fluid Science, 2023, 144, 110845. ISSN 0894-1777, https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2023.110845.

16. Welch C., Illmann L., Schmidt M., Böhm B. Experimental characterization of the turbulent intake jet in an engine flow bench. Experiments in Fluids, 2023, 64, 91. https://doi.org/10.1007/s00348-023-03640-9

17. Falcao C. E. G., Soriano B. S., Rech Ch., Vielmo H. A. Numerical study of an internal combustion engine intake process using a low Mach number preconditioned density-based method with experimental comparison. Proc IMechE Part D: J Automobile Engineering, 1-15. DOI: 10.1177/0954407015572234

18. Egoryan A. Comparison of Air-breathing Jet Engines with Slow and Detonation Combustion. Computational Mechanics and Modern Applied Software Systems (CMMASS’2019) AIP Conf. Proc., 2019, 2181, 020024-1-020024-7; https://doi.org/10.1063/1.5135684

19. Smirnov N. N., Betelin V. B., Nikitin V. F., Phylippov Yu. G., Koo Jaye. Detonation engine fed by acetylene-oxygen mixture, Acta Astronautica, 2014, 104 (1), 134-146, https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2014.07.019.

20. Åkerblom A., Pignatelli F., Fureby Ch. Numerical Simulations of Spray Combustion in Jet Engines. Aerospace, 2022, 9, 838. https://doi.org/10.3390/aerospace9120838

21. Migalin K. V., Egorov A. G., Sidenko K. A. Detonation combustion in a dual-circuit ejector pulsating jet engine, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 2020, 919, 062001. Doi:10.1088/1757-899X/919/6/062001

22. Migalin K. V., Boichuk I. P., Sidenko K. A. Inner Separation Area Precession as a Source for Initiating the Detonation or Quasi-Detonation Combustion in an Ejector Pulsejet Engine. Russian Aeronautics, 2021, 64(3), 481-487.

23. Migalin K. V., Boychuk I. P. On the Possibility of Creating Small Detonation Aero Engines Based on Jet Initialization of Detonation, 2021 International Scientific and Technical Engine Conference (EC), Samara, Russian Federation, 2021, 1–6. http://dx.doi.org/10.1109/EC52789.2021.10016814.

24. Kiverin A., Yakovenko I. Mechanism of transition to detonation in unconfined volumes, Acta Astronautica, 2016, 10. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.02.013

25. Liberman M. A., Ivanov M. F., Kiverin A. D., Kuznetsov M. S., Chukalovsky A. A., Rakhimova T. V. Deflagration-to-detonation transition in highly reactive combustible mixtures, Acta Astronautica, 2010, 67, 688-701. Doi: 10.1016/j.actaastro.2010.05.024

26. Стабилизация пламени в высокоскоростной камере сгорания за счёт термохимической конверсии топлива. Серманов В. Н., Зосимов С. А., Николаев А. А., Носков Г. П. Десятая Международная школа-семинар «Модели и методы аэродинамики». ЦАГИ им. проф. Н. Е. Жуковского, Жуковский. – С. 155-156.

27. Мехтиев С. Д., Камбаров Ю. Г. Олефиновые углеводороды и их применение в нефтехимической промышленности. – Баку: Азербайджанское гос. изд-во, 1962.

28. Антонов В. Н., Лапидус А. С. Производство ацетилена. М.: Химия 1970. – 415 с.

29. Крашенинников С. Ю., Ляхов В. К., Мигалин К. В., Русаков М. М., Ряпосов В. Б. О работе газового эжектора в пульсирующем режиме // Изв. вузов. Авиационная техника. – 1990. – № 1. – С. 40-43.

30. Соколик А. С. Самовоспламенение, пламя и детонация в газах. – М.: Изд-во АН СССР, 1960.