矩形窄直通道中考虑侧向膨胀效应的爆轰对撞波系结构及其传播机理研究

Problems on the detonation collision mode of the rotating detonation engine (RDE) are including the collision mode is unpredictable, unable to characterize the structure of the flow field, the flow field parameters are difficult to obtain, and lacking the theoretical models. In the present project, a rectangular narrow straight channel with a lateral expansion effect will be used in the field design. By controlling the time at which the detonation/shock of the detonation tube enters the test section, a detonation wave-detonation wave, detonation wave-shock wave pair is formed under three static premixed gas (2H2+O2+50%Ar、2H2+O2+3.76N2、C2H2+5N2O) and non-premixed H2/Air intake conditions. Collision flow field; meanwhile, schlieren/spontaneous fluorescence synchronous optical diagnostic technology, combined with high-frequency pressure, photoelectric/ion information will be incorporated to obtain parameters of the collision flow field; those experimental observations together with numerical simulations could help us with flow-field analysis. Project implementation includes: 1) Assess the detonation collision wave structure of static premixed gas and its evolution law, 2) Based on RDE intake condition, collision wave structures of detonation wave-detonation wave and detonation wave-shock wave under non-premixed intake conditions and its research on propagation mechanism, respectively, and 3) Theoretical analysis and modeling of detonation collision under static premixed gas and non-premixed intake conditions, respectively. This study can strengthen the theory of the collision problem and improve the controllability of the RDE detonation mode.

旋转爆轰发动机爆轰对撞模式的研究存在四点不足：对撞模式不可预测、流场结构难分辨、流场参数难获取、缺少理论模型。为弥补上述不足，本项目中，采用矩形窄直通道加侧向膨胀效应的设计。通过控制爆轰管两端爆轰波/激波进入测试段的时间，在三种静止预混气（2H2+O2+50%Ar、2H2+O2+3.76N2、C2H2+5N2O）和H2/Air非预混进气条件下形成爆轰波-爆轰波、爆轰波-激波对撞流场；采用纹影/自发辐射同步光学诊断技术进行观测，结合高频压力、光电/离子信息和数值仿真结果开展流场分析；项目的实施包括：1）研究静止预混气中爆轰对撞波系结构及其演变规律。2）贴近RDE工况，分别对非预混进气条件下爆轰波-爆轰波、爆轰波-激波对撞波系结构及其传播机理开展研究。3）分别针对静止预混气和非预混进气条件下，开展爆轰对撞问题理论分析及建模。该研究能够强化爆轰对撞理论，提高RDE爆轰模式可控性。

现阶段对于旋转爆轰波对撞模式的认识有限。本项目以实验和仿真相结合的方式，研究矩形窄直通道中带侧向膨胀效应的爆轰对撞问题。.项目自主设计了一套爆轰基础实验系统，通过实验和仿真相结合的方式，对爆轰近极限传播行为、受侧向膨胀影响的爆轰波传播过程进行了研究。结合ZND模型、Fay理论和Dabora侧向膨胀公式详细预测了侧向膨胀时稳定自持传播的爆轰波的激波角、界面角和速度亏损，并与仿真和实验结果进行对比吻合较好，基本得到了基于侧向膨胀影响的爆轰波自持机理。.围绕爆轰对撞问题，通过数值仿真的方式，将双波对撞分为爆轰波/激波正对撞、爆轰波受控对撞两部分内容，分别使用OpenFOAM和商业软件Fluent对矩形燃烧室中爆轰波的对撞现象进行研究。分析了爆轰波/激波的对撞过程、爆轰波受控对撞过程和不同燃烧室构型下爆轰波的对撞过程。在直管内：爆轰波在与激波对撞后弱横波消失，随后出现数量更多的强横波，透射爆轰波面峰值压力增加，在激波后均匀区内燃烧产物温度增大，逐渐发展为稳定的CJ爆轰。爆轰胞格在爆轰波与激波对撞后首先会因为受到压缩作用畸变、尺寸变大甚至波面部分解耦导致胞格消失，随后在新的高压条件下发展为尺寸更小的胞格；对爆轰波/爆轰波对撞前后的流场参数及结构变化进行了分析，并与爆轰波/激波对撞过程进行对比。发现对撞时因为燃烧产物动能的损失，会产生瞬时的高温高压现象。对撞后由于缺乏可燃混合气，爆轰波在维持一段距离后退化为透射激波，燃烧产物受激波压缩作用开始反向运动。在连续进气条件下：将爆轰波受控对撞过程分为转变阶段、调整阶段和稳定阶段，不完全发展的爆轰波在与完全发展爆轰波对撞后，有可能产生不能重新起爆的现象。并通过改变来流混合气体的条件，探究对爆轰波受控对撞过程的影响。.本项目工作明确了矩形窄直通道中不同形态爆轰对撞的波系结构、传播机理及维持条件，进一步增强了对爆轰对撞物理问题的认识，对于旋转爆轰发动机中调控双波对撞模式具有参考价值。