旋转爆震波形成、稳定传播机理及控制研究

The subject bases on rotating detonation engine(RDE), it will be investigated that the formation, stable propagation mechanism and control methods of the rotating detonation waves by combination of test and numerical calculation. In the project, we explore the initiation and the formation of the rotating detonation waves, it has an important guidance purpose for optimizing the initiation methods. Under the condition of different filling pressure, turbulence intensity, mixed degree, filling methods, heat transfer and mixtures, the affecting factors of the rotating detonation wave' propagation instability and the causes of multiple-waves will be investigated by experimental studies. And combined with numerical simulation analysis, it will be reveal the stable propagation mechanism of the rotating detonation waves, and study the relationships between the complex wave structures and the stable propagation. The evolution of multi-wave will be explored. This project present a control method of rotating detonation wave, analyse the response time and the circumferential lag Angle of the control, reveal the rules of the control. The project provides the foundation for the investigation of RDE, and subjects for the development of detonation theory and propulsion devices with important scientific significance.

本课题针对旋转爆震发动机（RDE），开展旋转爆震波形成、传播机理及控制的实验与数值研究，实验探讨旋转爆震波的起始条件，结合数值模拟分析其形成过程，指导旋转爆震波起始方法的优化；在不同填充压力、湍流强度、燃料/氧化剂混合程度、填充方式、壁面换热、混合物性质等条件下，通过实验研究确定旋转爆震波稳定传播的主要影响因素，明确多波头结构产生与消失的原因，结合数值模拟，揭示旋转爆震波稳定传播机理以及波系结构与传播稳定性间的关系，明确多波头结构产生与消失的发展过程；在此基础上提出旋转爆震波的控制方法，分析旋转爆震波控制的响应时间以及周向滞后角等，揭示旋转爆震波的控制规律。本课题将为解决RDE的可靠起始及长时间稳定工作难题提供依据，并为RDE的进一步实验研究和理论分析奠定基础，对丰富和发展爆震波理论、促进基于爆震燃烧的推进装置的发展具有重要的科学意义。

旋转爆震发动机（Rotating detonation engine，简称RDE）是一种新型动力装置，具有能量释放速度快、热循环效率高、结构简单紧凑、工作频率高等优点，在未来推进领域具有广阔的应用前景，近年来受到世界各国的广泛关注。因此，本项目通过实验和数值模拟相结合的方法，对气相氢气/空气旋转爆震发动机的基础科学问题展开研究，如旋转爆震波的形成、传播机制，多波头产生及控制等。.为开展旋转爆震波研究工作，设计了多套旋转爆震发动机模型，建立了旋转爆震发动机的实验和测量系统，发展了一套可模拟旋转爆震燃烧室内流动和燃烧问题的程序代码。测试了普通汽车火花塞、高能火花塞和预爆震管作为点火装置的可行性，结合高频压力测量和高速摄影，分析了不同点火能量和方式下旋转爆震波的建立过程，结果表明：三种装置均能够成功点火，爆震波建立时间随点火能量的提高而降低；相同工况下，发动机的工作特性与点火方式无关；采用低能量火花放电点火，验证了旋转爆震波可以通过火焰加速和DDT过程形成。.分析了旋转爆震波传播稳定性，发现了爆震波强弱交替、解耦、转向三种非稳定传播模式，研究了不同非稳定传播模式的形成条件和变化过程，获得了旋转爆震发动机稳定工作边界，研究表明：旋转爆震波能否连续稳定传播受燃烧室压力和喷注过程相互作用的影响，提高燃料与氧化剂的混合效果有利于增加旋转爆震波的传播稳定性，拓宽发动机稳定工作边界。.结合实验和数值模拟结果，揭示了两种旋转爆震波多波头形成机制：一种是旋转爆震燃烧室出口收敛段产生的反射激波向上游传播，在燃烧室头部产生新的热点，并转变成新的旋转爆震波；另一种是新鲜反应物的提前燃烧形成局部热点，最终产生新的旋转爆震波。旋转爆震波的波头数主要受当量比和质量通量影响。通过调节当量比和质量通量可以控制旋转爆震波的波头数，通过实验和数值模拟验证了旋转爆震波单、双波转变控制的可行性。