液体火箭发动机切向不稳定燃烧的旋转爆震机理研究

The propellants are consumed by constant-pressure combustion in the liquid rocket engines. Due to the bad mixing efficiency near the face plate, a high temperature combustible mixing layer may exist in front of the flame front. This provides the condition to form the rotating detonation wave. So rotating detonation may be one of the causations inducing the tangential combustion instability of the liquid rocket engine. Based on our previous research foundation, this project will focus on the initiation, flow-field structure and rotating characteristics of the rotating detonation wave in both annular and hollow combustor chambers, trying to obtain its self-sustaining and initiation mechanism. The research results will enrich the theories of rotating detonation and liquid rocket engine combustion instability, and provide theoretical guidance and technical support for rocket engine combustion instability restrain.

在以等压模式组织燃烧的液体火箭发动机内，由于紧邻喷注面板的推进剂混合效果差，在火焰锋面与喷注面板间存在高温可燃混合物层，为旋转爆震波的形成创造了条件，旋转爆震极可能是液体火箭发动机切向不稳定燃烧的一种诱发机制。在液体火箭发动机和旋转爆震前期研究工作的基础上，本项目拟开展圆环和圆筒形旋转爆震燃烧室（RDC）内的爆震波起爆、结构及传播特性研究，明晰旋转爆震波的自持机理和自发形成机制，进一步丰富旋转爆震和液体火箭发动机不稳定燃烧理论，为切向不稳定燃烧的抑制提供理论指导和技术支撑。

燃烧不稳定现象是液体火箭发动机工程研制过程中经常碰到的棘手难题。目前世界各国对液体火箭发动机燃烧不稳定开展了大量研究并取得了丰硕成果，但液体火箭发动机燃烧不稳定的诱发机制存在不同的学术观点，其机理多年来未能清楚。本项目提出了旋转爆震是液体火箭发动机切向燃烧不稳定的可能诱发机制之一。综合运用实验研究、数值模拟方法，对圆环和圆筒形旋转爆震燃烧室内的爆震波起爆、结构及传播特性进行研究，探索和验证了旋转爆震是否为切向燃烧不稳定的诱发机制。.首先，以氢气/空气（H2/Air）混合气为工质，通过数值模拟得到了环形燃烧室内部流场结构、传播特性以及燃烧室宽度的影响规律。结果表明在环形燃烧室内，由于横波效应的存在，燃烧室头部存在激波反射的现象，燃烧室宽度越大，波面弯曲越明显。在同一种传播模态下，外径处的正爆震波速度接近理论CJ值。.在无喷管条件下，采用逐步缩短内柱过渡到圆筒的方式，试验验证了圆筒燃烧室连续旋转爆震的可行性。在有Laval喷管条件下，试验验证了圆筒燃烧室内连续旋转爆震的可行性，考查了当量比、喷管收缩比对传播模态的影响。根据压力振荡的形式，定义了三种传播模态。结合试验和数值模拟结果分析了各模态下的流场结构特征，得到了喷管收缩比对传播模态的影响规律。旋转爆震的传播模态主要受下游斜激波在喷管收缩段的反射强度和反射波的上行距离影响。将试验结果和高频不稳定声学振型进行比对，发现旋转爆震波主频与燃烧不稳定固有频率吻合一致，误差在正负5%以内。采用与火箭发动机相似的等压点火时序进行试验，并与热射流点火方法进行对比。综合考查了不同燃烧室长度、推进剂活性下，传播频率与固有频率的关系。结果表明当燃烧室内实现旋转爆震后，爆震波的传播频率均与对应的固有传播频率有良好的一致性，误差值在5%左右。最后在边区环缝，中心区多喷嘴的双区喷注燃烧室中实现了旋转爆震波的起爆和稳定自持，贴近壁面处存在足够的可燃气体有助于爆震波的形成与稳定，其结果进一步验证了旋转贴近壁面处存在足够的可燃气体有助于爆震波的形成与稳定，其结果进一步验证了旋转爆震波是诱发切向不稳定燃烧的重要机制。