射流驻涡作用下爆震波起始及其自持传播机制的研究

One of the challenges in a pulsed detonation engines (PDE) design is the reliable and fast initiation of detonation waves. To speed-up the deflagration to detonation transition (DDT), one generally considered method is to maximize turbulence production using high blockage ratio obstacles. But these obstacles significantly increased total pressure loss, heat soaking in the PDE operation and a fixed geometry makes them lack of positive adaptability for off-design conditions. The basis of this proposal is to initiate a detonation wave using jet in cross-flow as fluidic obstacles in order to reduce the adverse effect. ..The high resolution numerical simulations and laser diagnostic are used to address the details of the combustion flows within DDT process. The first phase of the project involves the physical models and the computational methods for this study, where the cold flow field of fluidic trapped vortexes are simulated for the optimization of jet in cross-flow (JICF) proposal. Moreover, the high resolution simulations on the DDT process are conducted to identify the flame acceleration with fluidic vortexes. The second phase of the project is to measure the cold flow field with JICF using PIV experiment, as well as to design an experiment on the detonation initiation using fluidic trapped vortexes. The results is used to validate the simulations on the cold flow and detonation flow, as well as to study the effect of momentum ratio, blockage, width and composition of the jet, jets spacing, main flow speed on the vortexes generation and DDT process. The final phase of the project is study on the self-sustained detonation propagation in the high speed combustible mixtures stream. Finally, the anticipated detonation initiation mechanism using the fluidic trapped vortexes is addressed based on the numerical and experimental results. This research will address the role of vortexes-flame interactions on the detonation initiation and provide valuable information regarding fluidic trapped vortexes combustion technique and useful exploration for the engineering application of PDE.

如何快速、可靠的形成爆震波是脉冲爆震发动机（PDE）实际可行性的最关键的技术挑战之一。本项目申请提出了射流驻涡加速爆震波起始的方法，将横向射流稳焰和驻涡高效燃烧的理念相结合，与传统障碍物起爆方式比较，有着诸多突出的优点：如总压损失小、可主动控制和没有热壅塞。项目采用数值计算与实验相结合方法，首先开展了射流驻涡物理模型和燃烧动力学研究，获得射流驻涡加速缓燃转爆震（DDT)过程的高分辨率时序图和高速运动气流中爆震波传播的特性。在冷热态数值模拟的基础上，通过冷热态试验研究射流驻涡冷态流场特性和射流驻涡加速爆震波起始的规律及爆震波反应区的结构，采集DDT过程的温度、压力分布、纹影图像和爆震波反应区PLIF图像。比较和分析数值和研究的结果，得出射流驻涡作用下DDT机制以及其自持传播特性。项目预期成果加强涡-火焰相互作用和续运动气流中爆震波自持的物理认识，为射流驻涡用于PDE工程化提供有用的理论依据。

缓燃向爆震转变(Deflagration-to-Detonation Transition，DDT）是爆震燃烧研究的核心内容，也是国内外脉冲爆震发动机（Pulsed Detonation Engines，PDE）研究人员最关注的领域。为缩短DDT时间和距离，近年来国外学者提出采用流体障碍物的形式替代传统障碍物作为PDE的助爆装置，但相关研究仍处于起步阶段。本项目针对流体障碍物触发爆震波产生及稳定传播过程中的诸多问题进行了研究。通过高精度数值模拟研究了横向射流产生的涡与火焰相互作用，以及射流对爆震波起始和自持传播影响的物理机制。针对实际工程应用，通过试验进一步研究了单股射流喷射参数以及多股射流障碍物设置规律。主要研究结果如下：.（1）通过二维冷态流场模拟对比分析横向射流和障碍物对主流的总压损失规律，结果表明，相同阻塞比的横向射流在高来流马赫数下总压损失小于障碍物。横向射流在受限空间内喷射，在喷射口两侧诱导形成反向旋涡对，流场的湍动能随反向旋涡对向下运动而增加，在射流撞击壁面时达到最大。.（2）采用高精度数值方法直接求解二维反应流N-S方程，对带固体和射流障碍物通道内流场进行模拟。结果表明，当在爆震管中加入流体障碍物后，向上游流动的射流分量在初期阻碍了火焰的传播，使得加入射流后初始阶段火焰的速度小于光滑管的速度。当射流与火焰相互作用时，射流初始动能、高于主流的压力、火焰前锋面扭曲导致的反应速率增大，这几方面共同作用使得火焰锋面速度急剧增加。火焰逐渐加速，直至在火焰前锋面处产生局部爆炸，并逐渐发展成全局的爆震传播。相比光滑管工况，加入射流后DDT时间、距离都明显提前。.（3）对横向射流影响DDT特性的爆震试验研究表明，射流喷射的时刻和位置，将影响射流驻涡与火焰接触时刻的结构，带来不同的加速效果。相比于单股射流，双射流能在燃烧室内形成更多的扰动，促使火焰更快完成缓燃向爆震的转捩。此外，当射流喷射形式改变时，均会产生不同程度的加速效果，火焰在中前段就十分明亮，并迅速地发展为爆震。但是在燃烧室中段的对喷射流会加大流场的阻塞比，阻碍火焰的传播。对于所有射流喷射的试验工况，喷射位置靠近点火端时DDT时间较短，射流驻涡在火焰传播初始阶段加速效果明显，因此对于工程应用，采用多股射流助爆装置设置在爆震管的前部更利于缩短DDT的时间和距离。