旋转爆轰的中频不稳定性研究

Rotating detonation instabilities include low frequency, intermediate frequency and high frequency instabilities, which affect the service life and propulsion performance of rotating detonation engines. Intermediate frequency instabilities will be studied theoretically, experimentally and numerically and the results will be compared and complemented with each other. The fuel and oxidizer are respectively hydrogen and oxygen or air. Intermediate frequency instabilities have properties of frequency and amplitude and analytical solutions for the frequency are the feature of the present study. Gas mass flow meters, PCB pressure sensors, microphones, resistance temperature detectors and high speed schlieren photography are used to measure the parameters of rotating detonation and observe detonation waves. Transient density-based solver with implicit formulation, three-dimensional viscous models and the reaction models with one step reaction or detailed chemical kinetic mechanisms are employed in the numerical simulations. The interactions of shock waves or rarefaction waves with rotating detonation waves cause the intermediate frequency instabilities, the frequency of which is dependent on the combustor sizes and equivalence ratios. Intermediate frequency instabilities of rotating detonation will be studied by varying the structures and sizes of the combustors and the equivalence ratios. Propagation rules of shock waves and rarefaction waves as well as the mechanisms of interactions between rotating detonation waves and shock waves or rarefaction waves are the key scientific issues in the study.

旋转爆轰的不稳定性包括低频、中频和高频不稳定性，不稳定性影响发动机的寿命和推进性能。本项目将通过理论、实验和数值模拟手段研究中频不稳定性的产生机理，所得结果可以互相对比和补充。燃料和氧化剂分别为氢气和氧气或空气。中频不稳定性具有频率和幅值属性，理论推导频率公式是本研究的特色。实验采用气体质量流量计、PCB压力传感器、麦克风和电阻式温度传感器等设备测量旋转爆轰的相关参数，并通过高速纹影摄影技术观察其演化规律。数值模拟使用隐式算法、非定常密度基求解器、三维粘性模型，以及一步反应或详细反应机理的反应模型。中频不稳定性本质上是激波或膨胀波和旋转爆轰相互作用的结果，中频的频率大小则是燃烧室特征尺寸和当量比所决定的。因此，我们将通过改变燃烧室的结构和尺寸以及当量比，研究旋转爆轰的中频不稳定性变化规律。激波和膨胀波的传播规律，以及它们和旋转爆轰的相互作用机制是本研究的关键科学问题。

旋转爆轰的不稳定性包括低频、中频和高频不稳定性，不稳定性影响发动机的寿命和推进性能。本项目通过实验和数值模拟研究中频不稳定性的产生机理及基于乙烯的旋转爆轰发动机燃烧科学技术问题。弄清了旋转爆轰中频不稳定性的影响因素为预爆轰管和激波，研究了旋转爆轰波与激波和膨胀波的相互作用机制。在一定范围内，减小燃料孔面积，可以加强旋转爆轰波。燃料孔面积较小，不利于吸收压力波，那么反射激波较强；在壁面和爆轰波之间传播的较快反射激波导致旋转爆轰中频不稳定性频率更高。预爆轰管周期性削弱旋转爆轰波，导致旋转爆轰波的中频不稳定性。膨胀波传播到旋转爆轰波后方，会导致反应物侵入该区域，被燃烧产物点火产生新的旋转爆轰波。设计出了具有较强稳定性的旋转爆轰发动机，通过减小燃料孔面积和空气环缝面积，提高了流动稳定性，减小了稳压室和爆轰腔的声学耦合。首次在常温下实现乙烯的非预混吸气式旋转爆轰发动机燃烧技术，该技术为吸气式旋转爆轰发动机的亚声速到高超声速宽工况范围工作奠定了基础。空筒燃烧室环腔外径100 mm，长151 mm。对于空气流量465–689 g/s，当量比 0.47–1.06，旋转爆轰波速度为1256–1653 m/s，大部分速度超过理论值的80%。发现两种不可维持的旋转爆轰波。第一种发生在爆轰波存在的当量比边界上。第二种是由于旋转爆轰波高度变化引起爆炸导致的。爆轰波高度变化使得反应物遇到来自预爆轰管的高温产物，从而爆炸。由于改变爆轰波高度的压力波随机，第二种爆轰波也是随机和罕见的。对于具有塞式喷管的发动机，单爆轰波存在当量比上下界限。低于下界，为纵向脉冲爆轰波；高于上界，为多个反向爆轰波。下界当量比约为0.60，独立于空气流量和喉部宽度。当量比在下界附近，纵向脉冲爆轰波先产生，再转变为单个旋转爆轰波；当量比在合适范围，直接起爆单个旋转爆轰波。