CRDE环境下气膜与旋转爆轰波的耦合及其冷却机制研究

The continuous rotating detonation engine( CRDE) is a hot topic in the field of detonation propulsion, and the thermal protection of CRDE will become unavoidable practical difficulty both for late experimental study and engineering application. In order to achieve effective control of annular detonation chamber wall temperature in CRDE, this research project focuses on the study of formation, coupling and cooling mechanism of gas film in CRDE. The joint model of cooling film, continuous rotating fluid, and solid wall is developed. Base on the model, the force/heat coupled impact effect of rotating detonation wave on film gas and its reaction law are all studied. Therefore, the multiple dynamical coupling mechanism of high-speed cooling gas film with rotating detonation wave, oblique shock wave, and slip line is studied. On the basis of stable coupling, the conduction/convection/purge/entrainment multi-moded thermal protection mechanism of cooling gas film in both sides environment FC – CRDE system is studied. The influence of film injection structures and gas aerodynamic parameters on detonation flow and wall temperature is explored. The complex wave system structures in CRDE annular channel are captured by using schlieren technology and experimental pressure and temperature measurement technology. Thus, dynamical coupling and thermodynamical cooling effect of gas film is verified. The results of this project will not only enrich CRDE thermal protection system by using gas film, on both sides at the same time also will promote new power technology development represented by continuous rotating detonation engine.

连续旋转爆轰发动机（CRDE）是爆轰推进领域的热门课题，而无论是实验研究还是后期工程应用，其过热损伤都将成为无法回避的现实困境。为了有效控制CRDE壁面温度，本项目专注于研究气膜与CRDE旋转爆轰波的流动耦合及其热防护机理。构建带气膜冷却的连续旋转爆轰发动机（FC-CRDE）多层流体/固体联合工作模型，研究旋转爆轰波对气膜的力/热双重冲击效应及其反作用规律，揭示贴壁气膜与旋转爆轰波、斜激波、滑移线的多重流动耦合机理。在稳定耦合基础上，研究双侧气膜环境下FC-CRDE冷却气膜的传导/对流/吹扫/卷吸多模式热防护机制，探索双侧气膜结构、气膜气动参数对爆轰流场和壁面温度的影响特性。利用纹影技术和测压测温技术实验捕捉环形通道内复杂波系结构，分析验证贴壁气膜的耦合和冷却效应。研究结果不仅将丰富CRDE双侧气膜热防护的理论体系，同时还将促进以CRDE为代表的新型动力技术的发展。

爆轰发动机由于其热循环效率高、结构简单、推重比大、燃烧更完全、工作范围广、灵活机动、可单独使用亦可与其他发动机组合成混合型推进系统等系列优点，得到航天航空领域的青睐。本项目针对其高温高压高频高马赫环境下的热防护问题展开研究。构建了爆轰推进两相流模型，推导了善于捕捉含强间断的守恒元与求解元计算方法，编写了仿真程序，对直管中爆轰波起爆与传播过程进行模拟，并实验验证模型和方法的可行性；数值研究了连续旋转爆轰的三维流场、旋转爆轰波的传播特性和发动机的推力性能，分析爆轰室厚度对爆轰波平均传播频率、流场出口平均压力、温度以及密度的影响规律；设计了气动型射流控制动边界喷管，研究爆轰环境下射流与爆轰主流间的气动耦合过程，成功实现了在爆轰主流外侧入射气膜并自持，分析了不同气膜参数对自持特性、主流性能的影响规律，揭示了贴壁气膜与爆轰波、斜激波等多重流动耦合机理；在此基础上建立了多孔气膜-旋转爆轰耦合仿真模型，经过系列参数的探索与调试，成功实现了贴壁多孔气膜对壁面的降温作用，研究了旋转爆轰发动机中气膜传导/对流/吹扫/卷吸多模式热防护流场，分析了气膜对爆轰波的整体传播特性影响规律；搭建了包括预爆轰模块、点火系统、供气/供油系统、旋转爆轰室、实验平台、控制与数据采集系统等组成部分的旋转爆轰实验平台，成功实验了气液两相旋转爆轰的起爆与自持传播，分析了氧化剂中氧含量、爆轰波传播模态、空气的质量流量对起爆与自持的影响规律；搭建了带冷却系统的旋转爆轰发动机实验平台，在不同爆轰室结构下开展气液两相旋转爆轰发动机点火实验研究。项目成功探索了旋转爆轰发动机应用气膜冷却的可行性，促进以CRDE为代表的新型动力技术的发展，爆轰与气膜热防护的耦合机理研究丰富了高温气膜热防护和流动控制的理论体系。