缓燃向爆震转捩过程中湍流与燃烧的相互作用

Pulse Detonation Engine (PDE) is considered a powerful aerospace propulsion device. High frequency technique of detonation ignition is considered as a key problem for the PDE. However, the limited understanding on the working process of this technique still forms a barrier to further improvement in the performance of the engine. In particular, the knowledge on the interactions between turbulent and combustion in the Deflagration to Detonation Transition (DDT) process. Therefore, the present project chooses the interactions between turbulent and combustion in the DDT process as basic scientific problem. Theoretical, numerical and experimental approaches will be used to do in-depth and systematic research on the scientific problem. The basic data of the fuel combustion in the DDT process will be obtained in this project. The evolution law of important parameters such as temperature, pressure and turbulence intensity in the combustion process will be acquired. The formation condition of the Shock Wave Amplification by Coherent Energy Release (SWACER) in the flow system will be determined. The evolvement rule of turbulent flow field in restrict space will be clarified, the effect of factors like turbulence intensity on flame spreading and DDT process will be analyzed, the mechanism of coupling interaction between turbulent flow and combustion will be illustrated. The detonation wave generation model coupled with detailed chemical kinetics mechanism will be set up and the initiation condition of different types of fuel will be confirmed. Finally we aim to develop and realize the fast-DDT method. In addition, the implementation of this project has important significance for the enrichment and perfection of detonation theory; it also has significant positive effect on the development of correlative combustion technology.

脉冲爆震发动机（PDE）被认为是一种极具潜力的空天动力推进装置，高频快速起爆是该发动机的关键技术问题之一，但迄今对这一过程的认识还很不足，尤其对缓燃向爆震转捩（DDT）过程中湍流与燃烧的相互作用感到困惑。本项目以DDT过程中湍流与燃烧的相互作用为基础科学问题，采用理论分析、实验测试与数值模拟相结合的方法进行系统深入研究。通过本项目的研究，将获得DDT过程中燃料燃烧的基础数据，获得燃烧过程中温度、压力及湍流强度等重要参数的变化，确定流动环境中激波与能量释放同步放大(SWACER)的形成条件，弄清受限空间内湍流流场演变的内在规律，剖析湍流强度等因素对火焰发展以及DDT过程的影响规律，阐明湍流和燃烧的耦合作用机制，建立耦合反应动力学机理的爆震波生成模型，明确不同燃料的起爆条件，并力争获得实现快速DDT的方法。本项目的实施对完善和丰富爆震燃烧理论具有重要意义，并将对相关燃烧技术的发展产生积极影响。

脉冲爆震发动机被认为是一种极具潜力的空天动力推进装置，高频快速起爆是该发动机的关键技术问题之一。本项目以DDT过程为研究对象，采用理论分析、实验测试与数值模拟相结合的方法进行系统深入研究。通过研究，获得了DDT过程中燃料燃烧的基础数据，搭建了基础实验台并研究了不同燃料、不同氧化剂、不同压力、当量比等条件下圆管、矩形狭缝、多层环形管道内的火焰传播情况、爆轰波起爆特性及爆轰波传播模式，获得了燃料特性参数和初始条件对爆轰波起爆过程、爆轰波传播速度及模式、爆轰波胞格等的影响规律;揭示了受限空间内湍流流速和压力演变的内在规律，剖析了湍流强度等因素对火焰发展以及DDT过程的影响规律，研究了截面突缩管道内截面突缩对流场、火焰传播及DDT特性的影响。建立耦合反应动力学机理的爆震波生成模型并进行了模型验证，明确不同燃料的起爆条件，并基于该模型对流动环境下爆轰波的起爆过程进行了数值模拟，获得了不同初始流速对爆轰波起爆及其传播特性的影响规律；研究了圆环形扰流器和弧形扰流器的结构参数及分布情况对管道内火焰传播特性、爆轰波起爆及其传播特性的影响，并获得了对应的规律；研究了不同当量比下掺混H2对CH4/O2爆轰特性的影响及流动特性的变化，还掺混臭氧，研究不同初始压力下燃料与氧化剂掺混情况对微小管道内火焰传播和DDT特性的影响，获得了实现快速DDT的方法。本项目的实施对完善和丰富爆震燃烧理论具有重要意义，并将对相关燃烧术的发展产生积极影响。迄今为止，本项目达到预定研究目标。共发表学术论文15篇，其中SCI收录论文7篇，并在Combustion and Flame 和 Proceedings of the Combustion Institute上发表论文各1篇。中华人民共和国教育部自然科学二等奖1项；申请发明专利5项，其中1项已获授权。参加国际学术会议3次，国内学术会议3次。依托本项目培养在读博士2名，在读硕士3名。