旋转爆轰发动机中非受限爆轰波传播稳定性机理研究

Rotating Detonation Engine (RDE) is a promising and new power plant. It has value of application only if detonation waves stably propagate in combustion chamber. In view of the special existence form of detonation waves in the RDE, some scholars called detonation waves in RDE as unconfined detonation waves (UDW). Unfortunately, there still lack of theoretical understanding for stability of UDW's propagation, which greatly limits the pace of RDE's research. Therefore, the present project considers the stability of UDW's propagation as a generic scientific problem and uses experimental, numerical and theoretical approaches to study the mechanisms of self-sustained and instability of UDW based on fine structure. In the present project, following three cases will be studied: (1) the effect of deficit of in-soft-contact detonation on propagation of UDW; (2) the mechanism of detonation-to-deflagration on the condition of critical zone; (3) In a three-dimensional annular chamber, a changed characteristics of cellular structure of the rotating detonation. It is significant that development of basic theory of UDW and optimal design of RDE can be made by the implementation of this project.

旋转爆轰发动机（Rotating Detonation Engine，简称RDE）是一种很有前途的新型动力装置，仅当爆轰波在燃烧室内稳定传播时，才具有应用价值。鉴于爆轰波在RDE中的特殊存在形式，一些学者提出了非受限爆轰波的概念，但对于其传播稳定性方面的研究缺乏理论上的认识，这大大限制了RDE的研究步伐。因此，本项目将非受限爆轰波传播稳定性作为基本的科学问题，从精细结构角度出发，通过实验研究、数值模拟与理论分析，探讨爆轰波自持传播机理和失稳机理，具体研究1）软接触爆轰亏损对非受限爆轰波稳定传播的影响；2）亚临界条件下爆轰转爆燃的过渡机制；3）环形燃烧室内，三维旋转爆轰的胞格变化特征。本项目的实施对非受限爆轰波基础理论的发展和RDE的优化设计具有重要意义。

旋转爆轰发动机（Rotating Detonation Engine，简称RDE）是一种很有前途的新型动力装置，仅当爆轰波在燃烧室内稳定传播时，才具有应用价值。本报告将RDE中爆轰波传播稳定性作为基本的科学问题，从精细结构角度出发，通过实验研究、数值模拟与理论分析，探讨爆轰波自持传播机理和失稳机理，具体研究内容为：1）在流动系统中，迎风面上波阵面为斜爆轰结构，静止系统两侧和顺风面上的波阵面为完全解耦的前导激波。在水平管中，波阵面与上下壁面经历一系列马赫碰撞事件后，最终形成正爆轰。在流动系统中，整体的胞格结构明显向下游偏移。横向爆轰波的产生对爆轰波的再生起到了关键作用。2）狭缝高度越小，爆轰极限对应的临界初始压力越高。对于近极限条件内不稳定爆轰传播模式，包括“结巴”爆轰和驰振爆轰，其对应的初始压力范围随着狭缝高度的降低而变宽。考虑初始和边界条件，将水力直径与胞格宽度之比(d/λ)作为合理的爆轰敏感性参数描述预混气体爆轰特性，得出在不同狭缝通道内爆轰极限范围为0.326< d/λ<0.403。3）对于稳定传播模式（ri/λ≥26）,随着初始压力的增大，内壁面上爆轰波波阵面的周向速度逐渐趋近于直管中的爆轰速度，这是由于弯管内外壁面的发散和收敛效应之间的竞争所导致的。另外稳定传播的火焰阵面形状始终保持不变，并且垂直于弯管内壁面。对于临界传播模式（16≤ri/λ<26），火焰阵面失稳并出现了不规则的褶皱，可以认为它是稳定传播模式向不稳定传播模式转变的过渡区。对于不稳定传播模式（ri/λ≤16），实验得到两种爆轰波传播类型，一种是类似于圆管中的单头螺旋爆轰，其对应的初始压力范围为5.5-11kPa。另一种是接近爆轰传播极限时的弛振爆轰。由于弯管内外壁面对爆轰波传播的影响程度不同，驰振爆轰周期长度具有随机性。尽管这两种不稳定的传播类型都经历了重新起爆、衰减以及息爆的周期性变化，但这两种传播类型的机理是是不尽相同。