连续旋转爆震波传播中的不稳定问题及其形成机制研究

Continuous rotating detonation engine (CRDE) could operate continuously with just one initiation, producing a roughly constant thrust, so it has huge potential benefits. However, in the CRDE, only when the fresh gas zone accumulates continuously and the detonation wave propagation velocity deficit is below the critical value can the continuous rotating detonation wave be realized. The present study concentrates on the interactions between the continuous rotating detonation wave propagation and propellant injection processes via experimental observation, theoretical analysis and numerical simulation. The accumulating mechanism of the fresh gas zone will be pointed out, the accumulating process of which will be analyzed quantitatively. Based on the observation results, the flow-field structure and propagation process of continuous rotating detonation wave will be studied quantitatively. The detonation wave propagation velocity deficit caused by the lateral expansion effect will be calculated and compared with the experimental results. The research results would contribute to the understanding of the lasting mechanism of continuous rotating detonation wave, and also have a positive effect on the continuous rotating detonation combustion control and CRDE application.

连续旋转爆震发动机（CRDE）具有结构紧凑、工作频率高、只需一次点火起爆、很适合扩展组合动力以及理论上高性能的特点，是当前国内外新概念推进技术研究的热点之一。但是从目前国内外的研究中都没有发现CRDE明显的性能优势，而对连续旋转爆震波持续工作机理问题的认识不够是重要因素之一。 本项目针对旋转爆震波传播过程中的不稳定机理问题，拟重点采用试验手段，并结合数值模拟和理论分析，结合高频压力传感器和直接开窗观测等实验手段，对旋转爆震发动机中出现的短暂熄爆与再起爆、旋转爆震波传播过程的波头个数演化机制以及双波对撞模式的持续工作过程及其自持机理三个不稳定机制进行研究，从混合物的喷注混合特性、混合物活性以及发动机附面层特性等方面入手，探索形成不稳定现象的机理。项目成果有助于揭示连续旋转爆震波传播机理，对实现连续旋转爆震的工程应用具有重要推动作用。

本项目对旋转爆震发动机中出现的短暂熄爆与再起爆、旋转爆震波传播过程的波头个数演化机制以及双波对撞模式的持续工作过程及其自持机理三个不稳定机制进行研究。观察到了乙烯空气连续旋转爆震中的再起爆现象，并结合PCB信号与高速摄影图像对熄爆及再起爆过程进行了分析。对更接近实验条件的预混多孔喷注和非预混喷注条件下的旋转爆震发动机工作过程进行了数值模拟。在喷孔出口面积较小的情况下观察到旋转爆震波传播模态转换的现象，说明燃烧室头部附近高温爆震产物的残留导致的预着火是诱发新波头从而改变爆震波个数的重要原因。发现爆震波个数增多与爆震波和喷注过程间的相互作用密切相关，采用非预混喷注模拟对准确预测燃烧室内爆震波个数是必要的。研究了氢气空气和乙烯空气燃料中的双波对撞模式，对流场特性及形成机制进行了分析。爆震波在双波对撞模态中发生周期性对撞，爆震波对撞前速度较快，对撞过程中，爆震波、透射激波速度降低，透射激波在爆震波高温高压燃烧产物的诱导下在较短距离内迅速形成新的爆震波，新的爆震波速度再加速，在对称位置再发生周期性对撞。为维持双波对撞模式，需满足两个临界条件：一是流量供应充足且喷注速度较高，二是透射激波在碰撞后仍然具有足够的强度，以便快速诱燃新鲜混合气。项目成果有助于揭示连续旋转爆震波传播机理，对实现连续旋转爆震的工程应用具有重要推动作用。