凹面腔内环形超声速射流聚心碰撞的多循环激波聚焦起爆爆震机理研究

2-stage pulse detonation engine has been proposed to work with high operating frequencies, no mechanical valves, and traditional aviation fuels. But multi-cycle detonation initiation by shock wave focusing has not been broken through. In this study, schlieren apparatus and 3-D numerical simulation will be applied. Through theory analysis, experimental studies and numerical simulation, the multi-cycle detonation initiation mechanism of shock wave focusing by imploding annular supersonic jets in a cavity will be researched. Characteristic of 3-D flow field will be studied. The principle of coupling jets imploding, shock wave reflection, shock wave focusing and detonation initiation will be elucidated. Unsteady interactional effect between cavity and annular jets channel will be studied. Means of backfire restraining and back transmittal pressure controlling will be acquired. The relation between shock wave focusing parameter and annular jets incidence parameter, configuration of annular jet channels, cavity configuration will be find out. The mean of controlling multi-cycle detonation initiation by shock wave focusing will be acquired. The multi-cycle detonation initiation mechanism of shock wave focusing by imploding annular supersonic jets in a cavity will be find out. These researches are helpful in understanding the phenomenon of detonation initiation by shock wave focusing, which can also provide important references for designing and optimizing 2-stage PDE in the future.

两级脉冲爆震发动机因爆震循环频率高、无需机械阀门、可使用传统燃油工作等优点而得到大力研究，但多循环激波聚焦起爆爆震机理和实验的实现尚未得到突破。本项目主要采用纹影仪观测、三维高精度模拟等技术，通过理论分析、实验研究和数值模拟，针对环形超声速射流在凹面腔内聚心碰撞的多循环激波聚焦起爆爆震机理进行研究，研究凹面腔内激波聚焦起爆爆震三维流场特征，阐明超声速射流、激波反射聚焦、爆震起爆的耦合作用机制；研究凹面腔与环形射流通道之间的非稳态作用机理，掌握防止爆震回传和减小反传压力的控制方法；研究激波聚焦起爆的频率、强度与环形射流入射参数、环形射流通道结构和凹面腔结构参数之间的定量关系，掌握强化多循环激波聚焦起爆的方法。揭示环形超声速射流在凹面腔内聚心碰撞的多循环激波聚焦起爆爆震机理，对于掌握多循环激波聚焦起爆爆震的控制方法具有重要的作用，也可为两级脉冲爆震发动机的关键技术研究提供技术储备。

项目围绕2-stage PDE的激波聚焦起爆爆震方法进行研究。在激波聚焦起爆爆震流场描述方面，利用三阶龙格-库塔、三阶WENO，求解欧拉方程的方法，计算了轴对称的凹面腔内环形/柱状激波聚心碰撞诱导激波聚焦起爆爆震的过程，并将计算结果与本课题组实验结果进行了对比，较为清楚地描述了凹面腔内激波聚焦起爆的过程，达到了通过精细可靠的数值计算详细描述凹面腔内激波聚焦起爆过程的预期目的。在防止爆震波反传研究方面，研究了不同几何结构的射流入射通道对减小爆震反传的影响，设计建立了防反传实验系统。通过研究发现，在射流入射通道内安装阻滞几何结构的方法不能有效阻止压力波和燃烧的反传，但通过燃料和氧化剂分隔式进入通道可以有效防止燃烧和压力反传，并形成有效掺混和起爆爆震波。在强化多循环爆震起爆研究方面，主要通过实验研究了开放空间的自由射流对撞、“二维”凹面腔内射流对撞和“三维”凹面腔内冷、热态射流聚心碰撞等现象，基本揭示了连续射流诱导激波聚焦的流场特征。通过大量实验，探索了射流喷管结构、凹面腔几何尺寸、射流气动参数对射流对撞流场中的压力脉动的影响规律。在2-stage PDE原理样机的热态射流聚心碰撞实验中，得到了不同模态的燃烧方式，通过对比凹面腔内的动态压力，验证了利用射流聚心碰撞诱导激波聚焦起爆的不可靠性，并结合凹面腔结构和射流入射方式进行了爆震起爆不可靠性原因分析。基于2-stage PDE的激波聚焦起爆爆震研究，主要集中于俄罗斯、美国和中国等国家，目前，尚未见到多循环激波聚焦起爆公开报道。通过本项目较为全面的研究，从一定程度上验证了Levin提出的2-Stage PDE中起爆模型的不足，并提出改进建议。研究结果为爆震推进技术的早日工程实现提供了理论和实验参考。