微小尺度下近极限爆震的起爆及传播特性研究

Miniature aircraft and spacecraft are important developing area for future aerospace, however, the development of which is confined by micro-power systems with light weight, large energy storage and high performance. By using detonation combustion, the combustion efficiency and performance of micro propulsion devices can be promoted, applying scope of which can also be expanded. However, micro detonation combustion involves issue of near-limit detonation, the mechanism of which is still unclear. According to the demand of engineering and science, in this application theoretical research will be carried out to investigate quantitative relationship between structures and propagation properties of near-limit detonation with heat loss, momentum loss and acoustical resonance. Theoretical model on near-limit detonation will be established to quantitatively predict the propagation limit of detonation wave. Experimental research on near-limit detonation initiation in micro channel will be carried out to analyze effect of chemical property of mixture, boundary layer, turbulence and acoustical resonance on detonation initiation. The quantitative relationship will be found to understand initiation mechanism and controlling rules of near-limit detonation. Experiments on propagation of near-limit detonation in micro channels will also be executed to investigate influence of turbulence, boundary layer, thermal loss and instability on detonation propagation, the propagation law of near-limit detonation will be obtained.

微型飞行器及航天器是未来航空航天领域的重要发展方向，轻质、大储能、高性能的微型动力系统是制约其发展的技术瓶颈，将爆震燃烧技术应用于微型动力装置是提高其燃烧效率和性能、拓宽其应用领域的重要途径。然而，微小尺度下的爆震燃烧涉及到复杂的近极限爆震问题，目前对近极限爆震的起爆和传播机理尚缺乏足够的认识。根据工程和科学的需要，本申请拟通过理论研究，揭示热损失、动量损失、声学振荡和近极限爆震波结构及传播特性之间的定量关系，建立近极限爆震的理论分析模型，实现对爆震波传播极限的定量预测；实验研究微尺度通道内近极限爆震波的起爆过程，定量获得混气化学特性、边界层、湍流扰动及不稳定扰动等对起爆过程的影响，掌握近极限爆震的起爆机理及控制规律；实验研究近极限爆震波在微尺度通道内的传播，分析湍流、边界层、热损失、不稳定性等因素对爆震波传播的影响，揭示其作用机理，掌握近极限爆震波的传播规律和传播的极限几何边界。

微型飞行器及航天器是未来航空航天领域的重要发展方向，将爆震燃烧技术应用于微型动力装置是提高其燃烧效率和性能、拓宽其应用领域的重要途径。目前对微小尺度下近极限爆震的起爆和传播机理尚缺乏足够的认识。本项目开展了微尺度爆震管中的爆震过程数值研究、毫米间隙平板中的微尺度爆震的形成和传播过程实验研究。为了研究近极限条件下爆震波的形成与发展规律，对不同结构尺寸下的爆震管进行了点火起爆计算，研究了间隙高度、当量比等参数对微爆震波传播过程的影响规律。结果表明：在当量比为1时，间隙高度对爆震基础参数的影响较小；高当量比混合物形成的爆震波对通道尺寸的大小更为敏感，在微尺度内传播时更容易受到边界层的影响。在小的点火能量下，混合物需要一定的时间积累热量，直到气体被点燃，并逐渐向未燃气体传播；在缓燃阶段，火焰面呈弧形，随着反应的进行缓燃波压力和温度都在上升，火焰面弧度减小，逐渐向爆震波转变，最终火焰面趋于平整。在缩小爆震管尺寸过程中，爆震波的传播速度基本保持不变；压力峰值随着爆震管直径的降低而逐渐降低。当爆震管直径为0.25 mm时，压力场出现了有规律的波动，频率约为1818 Hz。从数值仿真的角度复现了近极限条件下的不稳定（纵向振荡）现象。围绕研究目标开展了微尺度爆震管中的爆震过程数值研究、毫米间隙平板中的微尺度爆震的形成和传播过程实验研究。在厚度为0.5mm和2mm，直径为300mm的圆盘形空间内开展了微爆震实验研究，采用小能量点火器以研究微尺度爆震波的形成和传播过程。结果显示2mm空间内的爆震波强度（3倍C-J值）远大于0.5mm空间的爆震波强度（0.457倍C-J值），说明微尺度空间中的压力损失更大。当量比为2.2时，2mm空间内无法发生爆震，然而更小的空间内成功实现了爆震。说明边界层效应在爆震形成过程中不全是负面的。此外还发现，壁面反射和微小障碍物在微爆震形成过程中发挥着积极的作用，微燃烧中的爆震波传播速度最大达到了3200m/s。