高压等离子体射流与整装式含能液体相互作用特性研究

With the engineering background of liquid propellant electrothermal chemical hypervelocity propulsion, the interaction mechanisms of electrothermal plasma and bulk-loaded energetic liquid will be researched. Using high speed video system and schlieren apparatus, the turbulent mixing process of plasma jet in liquid medium will be recorded. A 2D multiphase flow model will be developed to analyze unsteady characteristics of plasma jet expansion, boundary of circumfluence and vortex development. The influencing factors on the stability of the plasma jet expansion will be studied. An experimental system will be set up for research of combustion and propulsion process in bulk-loaded energetic liquid. By sensors installed in high temperature and high pressure combustion chamber, transient pressure and temperature will be measured, and some effects such as expansion combustor structure, plasma jet intensity, moving boundary of the combustion chamber, burning rate of liquid propellant will be investigated. Wavelet and nonlinear time series analysis method will be used to study the stability of combustion and propulsion process, nonlinear characteristic variables, such as correlation dimension, maximum Lyapunov exponent can be obtained. The dynamic nature of combustion and propulsion process will be illustrated and the control method of combustion stability will be explored. This research program has important academic value in the area of high temperature and high pressure transient combustion theory and experimental technology.

项目以液体工质电热化学超高速推进为背景，研究电热等离子体与整装式含能液体的相互作用机理。利用高速录像和纹影设备，观测等离子体射流在液体工质中的湍流掺混过程，建立整装式条件下等离子射流与液体相互作用的二维多相流模型，分析等离子射流扩展﹑渐扩边界处回流与旋涡等的时空演化特性，研究等离子体射流扩展稳定性的关键影响因素；设计整装式含能液体燃烧推进实验装置，测量高温高压瞬态燃烧工况下的压力与温度，研究燃烧室渐扩结构﹑等离子射流强度﹑推进室动边界﹑含能液体工质燃烧速度等参数变化对燃烧推进过程的影响规律；在实验基础上，利用小波分析和非线性时间序列分析方法，得到关联维数、最大Lyapunov指数等能定量描述系统动力学性质的非线性特征量，揭示燃烧推进过程的动力学本质，探索燃烧稳定性控制方法。该项研究对促进高温高压瞬态燃烧领域的理论和实验技术发展有重要学术价值。

本项目以电热化学超高速推进为背景，提出以渐扩型燃烧室结构与电热等离子体点火相结合来增强燃烧推进过程稳定性的新方法，并开展了高压等离子体射流与整装式含能液体相互作用特性的基础性研究工作，主要研究内容及成果如下：（1）开展了电热等离子体射流在整装式液体工质中扩展与掺混过程的实验研究，通过设计专门的模拟实验装置，获得了等离子体在空气中的自由射流和在模拟液体工质中的受限射流的扩展特性，得到了放电电压、喷口直径、喷口膜片厚度等参数对射流强度及其扩展过程的影响规律；（2）建立了等离子体射流与整装式液体工质相互作用的轴对称非稳态多相流模型，将等离子体的产生过程与射流扩展过程相耦合，进行了数值模拟，获得了射流场中电导率、温度、压力、速度、组分等参数的时空分布及演化规律，揭示了通过放电电压调节电热等离子体射流强度，进而影响射流扩展过程的控制机理；（3）开展了等离子体点火下的燃烧推进实验研究，观测了高温高压燃烧室内的压力变化过程，通过离散小波变换，提取出压力振荡信号，并采用谱分析、相空间重构等方法，研究了压力振荡时间序列的非线性动力学行为，得到最大Lyapunov指数等非线性特征量，揭示出燃烧压力振荡的混沌动力学本质；（4）开展了不同燃烧室结构和含能液体类型下的燃烧推进实验，对比了燃烧室压力过程及其压力振荡行为，采用连续小波变换方法并结合本项目所建立的声腔振荡模型，对压力振荡的时频特征进行了分析，探讨了与声腔振荡和含能液滴的分布式燃烧有关的压力振荡产生机理；（5）建立了基于流体动力学理论和组分输运方程的轴对称气液两相流动与燃烧模型，数值模拟了圆柱型和阶梯渐扩型燃烧室中的含能液体的化学反应流场，研究了温度、速度、压力、体积分数以及流场旋涡结构的分布演化特征，揭示了阶梯渐扩型燃烧室通过诱导径向湍流、减缓燃气空腔轴向扩展速度、抑制轴向Kelvin-Helmholtz不稳定效应，进而增强整装式含能液体燃烧推进过程稳定性的机理。本项目研究成果为深入研究电热等离子体作用下的整装式含能液体燃烧稳定性控制技术奠定了理论基础。本项目已发表论文12篇，其中SCI收录4篇，EI收录5篇；培养研究生2名，其中1名已毕业。