爆震燃烧室中燃油喷射/混合与爆震波传播相互影响的机制研究

One of the governing factors in obtaining an effective detonation regime belongs to the fast and effective mixing with the separate injection of fuel and oxidizer in the region of detonation wave propagation. This proposal intends to study the mechanism of the interaction between fuel injection/mixing and detonation wave propagation and the effect of non-uniform mixing of gaseous and liquid fuels on the stable propagation of detonation waves and the process of droplet breakup, evaporation, and atomization of transverse fuel jets driven by detonation waves will be determined. The fuel injection problem coupled detonation wave is simplified as a problem of the interaction between a stable propagation detonation wave and the fuel injection/mixing interaction. Firstly, the experimental and numerical studies on the stable propagation of detonation waves under non-premixed conditions of gaseous fuels were carried out and the propagation characteristics of detonation waves in non-premixed cracked kerosene is an important concern. Secondly, kerosene steam injection and mixing and the stable transmission mechanism of detonation waves are studied. Finally, the response of a liquid jet in a detonation driven crossflow is studied, including the dynamic characteristics of the droplet breakup and evaporation. In addition, the high-resolution numerical simulation of the dynamic propagation of the detonation wave in the non-uniform gas mixture and the dynamics of the droplet breakup process driven by the detonation wave is also one of the concerns of the project.

爆震波传播区域中燃料和氧化剂喷射的快速有效混合是爆震发动机稳定工作的关键性因素之一，本项目拟开展爆震燃烧室内燃油喷射/混合与爆震波传播相互影响的机制研究，探索气态和液态燃料的非均匀混合对爆震波稳定传播的影响以及爆震波驱动下横向燃油射流的破碎、蒸发和雾化的过程。将爆震燃烧室中耦合爆震波的燃油喷射问题简化为一个稳定传播爆震波与燃油喷射/混合相互作用影响问题，首先对开展气态燃料非预混条件下的爆震波稳定传播的试验和数值研究，其中非预混航空煤油裂解气的爆震波传播特性研究是一项重要的研究内容；其次研究煤油蒸汽喷射和混合以及爆震波稳定传播机制；最后研究爆震波对横向燃油喷射的影响，包括爆震波驱动的液滴破碎和蒸发等动力学特性研究。此外，非均匀混气中爆震波稳定传播和爆震波驱动液滴破碎动力学过程的高分辨率数值模拟也是项目关注内容之一。

旋转爆震发动机中燃料/氧化剂喷射和掺混对爆震波的影响及非预混环境下爆震波的快速起爆与稳定传播是爆震发动机稳定工作的关键性因素之一。本项目构造了非预混/非均匀进气的旋转爆震发动机数值模拟和探究非预混液态燃料与爆震波相互作用的实验载体，进行爆震燃烧室中燃油喷射/混合与爆震波传播相互影响的研究工作。主要研究结果如下：.（1）在简化的二维旋转爆震燃烧室的研究中，可以发现：爆震波强度总是与入射总温呈负相关关系，而与入射总压呈正相关关系；改变入射当量比带来的旋转爆震燃烧室的变化较为复杂。在非预混喷注时，低当量比燃料的爆震波燃烧效率较高，燃烧室损失较低。但是低当量比也意味着燃烧速度较慢，出现大量未燃气团。因此，为了保证真实情况下的旋转爆震发动机的工作性能，燃料进入燃烧室之前，在保证燃料活性的基础上，需要尽可能降低燃料初始温度并增加燃料的初始压力，最终找到一个平衡点，既能够保证燃料进入流场时燃烧速度较慢，经过爆震波面时又能够最大限度地进行燃烧。.（2）在三维旋转爆震燃烧室的冷态流场中，分别对比不同的燃油/氧气喷注结构带来的流场差异，发现燃料液滴破碎情况受燃料液滴喷射速度的影响较小，但是燃料喷射结构的不同会导致煤油液滴的破碎情况有较大差异；对比不同喷注结构带来的燃烧场的差异可以发现，从释热率、爆震波强度波动和压力回传的角度，不同喷注结构带来的燃烧场各有优缺点。压力增益是旋转爆震燃烧室最重要的性能指标之一，本项目选择其作为评价标准，发现燃料/氧化剂非预混喷注下的旋转爆震燃烧室的总压增压都为负值，交叉喷注结构（SIJ）的整体性能更优，在进行旋转爆震燃烧室燃料/氧化剂喷注设计时可以进行结构与燃烧性能上的参考。.（3）在实验验证过程中，改变喷注温度与喷注压力所得结论与数值模拟相近，增加喷注温度与降低喷注压力都会带来爆震波强度的降低。气态燃料与液态燃料在燃烧室内与爆震波的相互作用过程差别很大，液态燃料在爆震燃烧室内作用过程稍微复杂，液态燃料的释热过程可以分为激波加热区域、蒸发燃烧区域和火焰面，在使用流场可视化纹影技术对流场进行观测后深入剖析了这个过程，为真实旋转爆震发动机的工程化提供了一些指导作用。另外对爆震波与非均匀混气的相互作用也进行了观察，在经过可燃气团时，爆震波面处会发生局部爆炸，促使火焰面追赶前导激波，经过空气间隙时又快速解耦。因此对于不同燃料，燃料的喷射间隙也非常重要，在设计燃料/