超声速可燃气中气动斜劈诱导的欠驱斜爆震起爆与稳定机理研究

Underdriven oblique detonation wave(ODW) induced by hydrodynamic wedge in supersonic combustible flow is very suitable for hypersonic propulsion, because of its high thermalcycle efficiency, low hydrodynamic resistance and easier operation. High-speed laser schlieren and CH spontaneity radiation technologis, OH-PLIF and CH-PLIF systems, as well as numerical simulation, will be used to study the initiation, structures and instabilities of underdriven CJ ODW. Hydrodynamic wedge is formed by air jet, hot jet and detonation jet. Comparing with detonation initiation by jet in quiet premixed mixture and physical wedge initiation in supersonic flow, the transition mechanisms of local overdriven detonation to CJ underdriven ODW, the influence of jet types on the CJ underdriven ODW structure and the ODW instability induced by boundary layer separation before the jet and local overdriven detonation nearby the jet will be investigated. These researches are helpful in understanding the phenomenon of underdriven ODW, which can also provide important references for designing and optimizing ODW engines in the future.

超声速可燃气中气动斜劈诱导的欠驱斜爆震燃烧具有循环效率高、气动阻力小，且便于控制等优点，非常适合于高超声速推进中应用。本项目主要采用高速激光纹影、高速CH基自发辐射以及OH基和CH基PLIF等技术，并结合理论分析和数值模拟对气动斜劈诱导的爆震波起爆、结构特性和不稳定性等问题开展研究。气动斜劈通过在超声速流中加入空气射流、热射流与爆震射流等实现，同时通过与静止可燃气射流起爆、超声速流中物理斜劈诱导的爆震起爆及不稳定等过程进行对比，研究气动斜劈诱导局部过驱爆震向CJ欠驱斜爆震的转变机制、不同射流类型对CJ欠驱斜爆震的影响、射流前附面层分离区及喷流附近形成的局部过驱爆震等因素导致的斜爆震不稳定性等问题。该项研究将加深对气动斜劈诱导欠驱斜爆震中相关问题的认识，为斜爆震发动机的设计及优化提供重要参考。

为了对超声速气流中射流起爆爆震波机理进行细致的研究，改进设计了超声速高焓预混风洞，特别是改进了实验台中的预混阵列喷管，满足了超声速流中爆震波研究的实验要求，利用高速阴影技术对超声速流中三种射流，即低速热射流，高速热射流及爆震热射流起爆爆震波的机理进行了研究，分析了包括射流状态、预混气状态、射流管径等参数的影响。同时采用块结构自适应网格加密技术数值模拟了扩张流道超声速预混气射流起爆过程，通过改变热射流的参数和流道参数，进一步研究爆震的起爆特性。设计并建立了超声速爆震实验系统，使得超声速爆震实验系统具备一套设备多种功能的要求，满足斜爆震起爆、热射流起爆、正爆震波传播等研究内容的实验需求；对于低速热射流，热射流会导致DDT过程的发生，弓形激波后的放热速率是决定能否成功起爆的关键因素；对于爆震射流，研究了较低马赫数下的起爆特性，发现需要球形激波反射与迎风面弓形激波燃烧耦合面的共同作用才能够起爆；对于高速热射流，来流速度对于起爆机理有重大影响；当量比的改变对分离激波和马赫杆后能量释放具有重大影响，关系着起爆后的波面是否能自持传播；扩张流道中不同的射流直径起爆的效果不同，射流直径减小后所需的起爆时间更长，但在保证射流的状态的情况下，可以用更小的射流直径起爆预混气；数值模拟研究表明，热射流位置对起爆过程有重要影响；热射流宽度对起爆的效果有显著影响，适当减小射流直径能够获得更稳定的爆震波面，但会延长起爆时间；扩张角度对爆震波面前传有显著影响，较大的扩张角度有利于起爆获得接近CJ状态的爆震波；流道高度的增加不利于爆震波起爆；通过数值模拟与实验对比，进一步认识了热射流起爆过程，真实热射流起爆过程受预混气粘性的影响、三维效应的影响、来流均匀性的影响。