环形管道中爆轰波三维结构及其传播特性的研究

Detonation-based engine offers a potential advantage in the modern propulsion technology. However, none of the detonation engines investigated can be applied in the practice successfully now. One of reasons is that characteristic of detonation existing in the detonation engine have not been understood really. Due to many advantages, rotating detonation engine has research hotspots recently. However, disturbance from finite space and annular boundary in engines can influence the reaction zone in the detonation wave and change the detonation structure and the self-sustained mechanism, which differs from the detonation described by CJ model. Related research has just started internationally, but it is not in-depth. The applicant has also done a preliminary study. In this project, detonation propagating in an annular tube are studied by experiments, numerical simulation and theoretical analysis, in which it is analyzed about propagating, quenching and re-onset of detonation from the mesoscopic level (the chemical reaction zone of detonation). Besides, three-dimensional fine structure and cell structure of detonation are also investigated. Simultaneously, the influence of tube curve, tube width and combustible mixture sensitivity on detonation propagation in annular tube has also discussed. Finally, the limit condition of detonation propagation will be determined. This study will expand and improve the classical detonation theory and provide theoretical guidance for the development of the rotating detonation engine.

在现代飞行技术中，爆轰发动机具有一定的优势，故引起人们的关注。但迄今，此类发动机仍未研制成功，原因之一是对存在于发动机中的爆轰的本质未能真正了解。旋转爆轰发动机兼具其他爆轰发动机的优点，使其成为近年来研究的热点。然而，该发动机的有限空间和环形边界所产生的扰动会影响爆轰的化学反应区，从而改变爆轰波的结构和自持机理，使之具有不同于CJ爆轰的特性，相关的研究在国际上刚起步，但远未深入，申请人已做了初步的研究。本项目拟采用实验、数值计算和理论分析相结合的研究手段，以环形管道为研究对象，从细观层面（深入爆轰波的化学反应区）出发，研究爆轰波在其间的传播、熄灭和再生，以及稳定传播时的三维精细结构和胞格结构，讨论与爆轰传播有关的管道内外壁的曲率、管道宽度和可燃系统的化学活性等因素，确定其稳定传播的临界条件。该研究是传统爆轰理论的拓展和完善，同时也可为旋转爆轰发动机的研制提供理论指导。

旋转发动机具有一次起爆、噪音小等优点，成为近年来国内外研究的热点。然而，该发动机的有限空间和环形边界所产生的扰动会影响爆轰的化学反应区，从而改变爆轰波的结构和自持机理，使之具有不同于CJ爆轰的特性，本研究针对环形管道内爆轰波传播的特性进行了实验、计算和理论研究。首先，爆轰胞格尺寸是可燃系统的本征值。然而对该尺寸的测定，具有较强的主观性。本研究采用概率密度法和自相关函数法两种统计方法对规则程度不同的爆轰胞格进行了研究，其中规则程度通过调整混合物的活化能来实现。规则性较好的爆轰胞格，两种统计方法得到的胞格尺寸较一致，而规则性不好的爆轰胞格，由于自相关函数法将迹线上的涡量大小作为权重，故对胞格尺寸的处理较好，此后的研究均用此方法。随后，本研究对环形管道中爆轰波的传播进行了实验研究，采用压力传感器和烟模板进行实验测量，爆轰波的传播模式分为三类：稳定模式、临界模式和不稳定模式。基于带化学反应的Euler方程，对相应的过程进行了数值模拟，对流过程采用五阶WENO格式，结果表明，外壁面是凹形收敛壁面，其附近的流动是Prandtl–Meyer压缩流，对流场有压缩作用，加快化学反应，故外壁面附近的爆轰是过驱爆轰，而对于内壁面来说，则是凸型的发散壁面，其附近的流动是Prandtl–Meyer膨胀流，对流场起膨胀稀疏作用，会降低化学反应速率，严重的会导致爆轰熄灭。因此，无论是二维还是三维数值模拟，对于不同的可燃气体，均能观察到外壁面的爆轰胞格较小，爆速快于理论CJ值，内壁面的爆轰胞格较大，爆速慢于理论CJ值。最后，本研究基于带化学反应的Navier-Stoks方程对环形管道内的DDT过程进行了模拟，对于直管来说，湍流在DDT中起到关键作用，而环形管道的敛散特性，使得燃烧膨胀形成的压缩波不断在内外壁反射，进而形成激波与火焰面不断作用，形成RM不稳定，加速爆轰的形成。本研究是对直管中经典爆轰理论的拓展，同时也对旋转爆轰发动机的工程应用提供理论指导。