流体障碍物作用下非均匀浓度场内火焰加速和DDT的机理研究

In the actual work of Pulse Detonation Engine (PDE) and industrial accident, combustion and Deflagration to Detonation Transition (DDT) often occur in the inhomogeneous premixed gas field with concentration gradient. Meanwhile, the study of fluidic obstacle which is regarded as a new detonation acceleration technology begins to get attention. However, the existing studies of flame acceleration and DDT in the inhomogeneous concentration field are insufficient, and the addition of fluidic obstacle will induce a more complicated physical phenomenon. Thus the applicability of the current flame acceleration mechanism and the DDT rules is facing great challenges, and this suggests an urgent need to carry out the relevant studies. Therefore, this project applies the fluidic obstacle to the inhomogeneous concentration field. Experimental, numerical and theoretical approaches will be adopted to study the combustion process. The influences of different concentration gradients on the flame acceleration are analyzed. The processes of flame propagation and detonation initiation with different fluidic obstacle parameters are acquired. The flame acceleration mechanism and the DDT rules in the inhomogeneous concentration field are clarified. Besides, in the confined space, the detonation characteristics of the combustible premixed gas are also illuminated. Moreover, a numerical model of the flow and combustion processes is established for the study of DDT in the inhomogeneous concentration field. The relevant studies help to reveal the internal mechanisms of the flame acceleration and DDT in the inhomogeneous concentration field which are affected by the fluidic obstacles, and the implementation of this project has vital scientific and practical significances.

在脉冲爆轰发动机(PDE)实际工作及工业事故中，燃烧及DDT现象常常发生在具有浓度梯度的非均匀预混气中，同时，流体障碍物作为一种加速爆轰引发的新技术也开始得到关注。然而，现有非均匀浓度场内的火焰加速和DDT研究存在不足，而加入流体障碍物会导致更加复杂的物理现象，使得现有火焰加速机理和DDT规律的适用性面临极大挑战，亟需开展相关研究。因此，本项目将流体障碍物技术应用到非均匀浓度场中，用实验测试、数值模拟与理论分析相结合的方法研究燃烧过程，分析不同的浓度梯度对火焰加速的影响，获得不同参数的流体障碍物加速火焰传播和爆轰引发的过程，澄清非均匀浓度场内的火焰加速机理和DDT规律，阐明受限空间内非均匀浓度场中可燃预混气的爆轰动力学特征，建立适用于非均匀浓度场中DDT研究的流动/燃烧计算模型。相关研究有助于揭示流体障碍物作用下非均匀浓度场内火焰加速和DDT的内在机理，具有重要的科学意义和实际应用价值。

在脉冲爆轰发动机(PDE)实际工作及工业事故中，燃烧及DDT现象常常发生在具有浓度梯度的非均匀预混气中。同时，固体障碍物虽然可以加速DDT，但也会给发动机带来较大的推力损失。因此，本项目将流体障碍物应用到具有浓度梯度的非均匀流场中，考察流体障碍物作用下不同浓度场内的火焰加速和DDT机理，相关研究将具有重要的科学意义和实际应用价值。研究发现：（1）在火焰发展初期，管道一侧没有阻塞且具有更多氢气的布置形式可以更快速地促进火焰加速，且火焰会经历多次速度增强区域。（2）相比于固体障碍物，流体障碍物不仅会形成阻塞和回流区，还会引入更多的涡结构，增大整体湍流强度，产生更好的火焰加速效果。（3）还揭示了流体障碍物不同参数变化对火焰加速的影响规律，厘清了受限空间中火焰发展演化的内在因素，发现使用反应性射流气体、提高射流初始速度、缩短流体障碍物距点火源的距离都可以有效地改善火焰加速和DDT效果。同时，当射流方向与火焰传播方向相反时，火焰能更早地与涡结构相互作用，这对火焰整体演化过程也是有利的。（4）在DDT方面，不同浓度场和障碍物双重因素影响下的爆轰引发过程，可以大致分为障碍物与激波、激波与火焰、激波与激波等因素的相互作用而发生。尽管如此，所有预混气的起爆过程仍都符合SWACER机理。（5）在爆轰波传播方面，氢气浓度低于12.7%的区域会导致爆轰波解耦，并且爆轰波的形态与氢气浓度的具体分布有关，氢气浓度分布越均匀，爆轰波的波长、波角与波高越大。因此，可燃预混气的浓度分布对火焰加速具有显著影响，整体上，氢气浓度分布越均匀，火焰加速效果越好，能更快地引发爆轰。本项目研究成果丰富了爆轰燃烧的相关理论，为进一步发展爆轰推进技术提供了重要参考。