内燃波转子激波与火焰相互作用和耦合机制研究

The internal combustion wave rotor (ICWR)is an innovative combustion system with high-speed rotation.There are complex waves including shock, compression wave ,contact and expansion in the channel of ICWR.The combustible gas mixture was precompressed by shock wave.The ignition and combustion process is similar to the transition of deflagration to detonation.The high efficient constant volume combustion thermodynamic cycle in rotor channel was achieved by detonation combustion.The precompression and efficient combustion in ICWR involves the cross basic scientific problems of aerodynamics and combustion theory,for example,the formation and propagation of shock wave, the formation and development of the initial flames,the shock-flame interaction and coupling mechanism.Then,The investigation on shock-flames interaction and coupling mechanism in ICWR is the frontier scientific issues. It is important scientific significance and application prospects in the military, industrial disasters, traffic and safety fields.The present work focuses on the scientific issues of the formation of shock wave and flames instability which is induced by shock wave under special environment of ICWR with high speed rotation.The formation and propagation of shock wave and initial flame will be investigated.The shock-flame interaction and coupling mechanism in ICWR also must be investigated.The formation and propagation of shock wave and the formation process of initial flames and flame structure characteristic and the law of development will be found out. The dynamics process of shock-flame interaction will be revealed. The shock-flame interaction and coupling mechanism will be gained.

内燃波转子是高速旋转（≮2000rpm）的新型燃烧系统，转子内存在激波、压缩波、膨胀波及接触间断等复杂波系，其中激波的产生实现了转子内混气的预压缩，点火燃烧过程类似于缓燃向爆震转捩，爆震燃烧实现了转子内高效等容燃烧热力循环，内燃波转子的预压缩和高效等容燃烧涉及激波形成和传播、初始火焰形成和发展、激波与火焰相互作用和耦合机制等空气动力学和燃烧学交叉的基础科学问题，因此，开展内燃波转子激波与火焰相互作用和耦合机制研究，将在军事、工业灾害防治、交通和安全等诸多领域具有重要科学意义和应用前景，属于学科前沿研究。本项目针对内燃波转子高速旋转特殊环境下激波形成和激波诱使火焰失稳等科学问题，开展内燃波转子激波和初始火焰的形成和传播、激波与火焰相互作用和耦合动态过程研究，摸清激波形成和传播规律、初始火焰形成过程、火焰结构特征和发展规律，揭示激波与火焰相互作用动态过程，获得激波和火焰相互作用规律和耦合机制。

内燃波转子是波转子预增压和高热力循环热效率燃烧等技术集合成一体的新型燃烧系统，将内燃波转子嵌入燃气涡轮发动机替代热力循环中的等压燃烧模式，能够显著增加发动机热力循环热效率，跨越式提升发动机性能。本项目针对内燃波转子燃烧室激波形成和激波诱使火焰失稳等科学问题，简化了适应于内燃波转子燃烧过程的乙烯详细反应机理，建立了两套内燃波转子试验系统，探讨内燃波转子充填速度、热射流特性、转速、油气参数等因素对激波形成和传播规律、初始火焰形成过程、火焰结构特征和发展规律的影响规律，所取的重要结果归纳如下：.1）建立了基于内燃波转子某型涡轴发动机热力循环计算模型，发动机输出轴功率和总效率提高了19.88%，燃油消耗率降低了16.58%，熵增降低了6.52%，验证了内燃波转子具有大幅度提高发动机性能的潜力。.2）完成了波转子、密封盘、进气段、燃料喷注及射流点火器等部件设计，获得了热射流点火器的点熄火、射流流场与温度场等特性，揭示了转/静子间泄露影响内燃波转子燃烧性能变化规律，提出了胀圈密封方案。.3）建立了进排气端口旋转的单通道多循环内燃波转子试验系统，研究了内燃波转子激波和初始火焰的形成和传播、激波与火焰相互作用和耦合动态过程，摸清了激波形成和传播规律、初始火焰形成过程、火焰结构特征和发展规律，揭示了激波与火焰相互作用动态过程，获得了进气速度、进排气端口转速、混气当量比等参数影响内燃波转子燃烧增压和火焰传播特性。.4）针对内燃波转子强化燃烧问题，设计了三种扰流片，获得了扰流片堵塞比影响内燃波转子增压和火焰传播特性，峰值压力可达1.2MPa，火焰传播速度可达55m/s。.5）建立了旋转双通道内燃波转子试验系统，旋转条件下（1500rpm）双通道内燃波转子能够稳定工作，实现了压力增益，揭示了离心力场对燃烧过程的影响。.项目执行期中，申请国家发明专利11项，已授权7项，发表学术论文11篇，其中SCI检索3篇，EI检索6篇，国际会议论文1篇；培养博士研究生2名、硕士研究生5名。