连续旋转爆轰波生成与湮灭的机理研究

To explore the multi-front phenomenon in the combustion chamber of Continuously Rotating Detonation Engines (CRDE)，this project plans to do a thorough research on rotating detonation waves from two aspects: numerical simulations and experiments. For numerical simulation, using interval injection system, three-dimensional simulations will be done to obtain the multi-front phenomenon which forms spontaneously in the flow filed. Then the stable mechanism of rotating detonation waves is explored by observing their formation and quench process. At last, how the stable detonation waves act to the sudden change that imposed on them will be determined, and the sustaining mechanisms of rotating detonation waves under extreme conditions will be investigated. For experiments, new engines with similar injection system will be designed and tested to validate the multi-front phenomenon and then determine the relationship between the number of the front and the working conditions of rotating detonation waves. The investigations, especially the sustaining mechanisms of rotating detonation waves under discontinuity and extreme conditions, will not only provide theoretical support for the CRDE design, but also help to broaden the understanding of detonation waves. These can help to control detonation waves and speed up the development of CRDE which can provide revolutionary power to the aeronautics and astronautics enterprise in our country.

本项目提出连续旋转爆轰发动机面向应用必须实现的推力墙阵列式小孔进气方案，全面细致地开展连续旋转爆轰波的稳定性的数值和实验研究。数值上，通过对间隔式进气连续旋转爆轰燃烧室内流场的三维数值模拟，获取全面的多波面自发形成的流场，探讨连续旋转爆轰波的生成和湮灭过程，探索其稳定机理，揭示爆轰波对工作条件突变的响应和抵御能力，探索连续旋转爆轰波运行的极限条件及维持机理。实验上，设计相应进气方式的燃烧室，验证连续旋转爆轰中多波面现象的存在，以及波面数目与相关条件的关系。这些机理问题的研究，尤其是连续旋转爆轰波在突变条件与极端条件下爆轰波的维持机理的研究，不仅能对连续旋转爆轰发动机的研制提供理论支持，更能大大拓宽人们对于爆轰这一极端燃烧方式和现象的认识和理解，有助于实现对爆轰燃烧的控制，进而加快连续旋转爆轰发动机的发展，为我国航空航天事业提供全新的动力。

目前，国内外连续爆轰发动机的研究得到广泛重视，发展迅速，但仍有许多基础物理现象与工程应用问题需要进一步的探索。首先，试验中采用的是细缝或单排小孔进气，严重地限制了燃料流量。要产生足够大的推力，需要在推力墙上排列大量的喷注器，形成阵列式分布，是未来研究的必然趋势。其次，数值模拟中爆轰波的形成对各种条件都十分敏感，很难形成具有固定的爆轰波波数的稳定流场，难以对爆轰波的生成与湮灭进行深入的探讨和研究。此外，研究发现间隔式进气方式增加了新鲜气体与高温产物的混合，容易形成热点，诱发局部爆炸，形成新的爆轰波。但是在现有的数值模拟中，使用的是欧拉控制方程，无法衡量粘性、热传导在其中的作用。基于此，我们开展了如下研究：在数值方面，给出多波面形成的规律，揭示连续旋转爆轰波生成与湮灭的机理，探明连续旋转爆轰波对工作条件突变的响应和抵御能力，发现连续旋转爆轰波极端条件下的维持机理。在实验方面，实现阵列式小孔进气条件下连续旋转爆轰波的持续传播。研究按照计划进行，并取得了如下结果：在数值方面，实现了阵列式小孔进气方式、可变当量比及NS方程下的数值模拟，探明了多波面形成的要素、连续旋转爆轰波生成与湮灭的机理、再起爆现象的机理，明确了连续旋转爆轰波对工作条件突变的响应和抵御能力，详细分析了起爆点数目、当量比大小、空心圆筒燃烧室下进气面积大小及NS方程下间隔大小对旋转爆轰的影响。在实验方面，实现了阵列式小孔进气的连续爆轰并给出了实验条件（总压、背压、掺混距离）改变的影响，发现了点火延迟及单波-双波-单波转换现象。这些结果进一步拓宽了人们对于连续旋转爆轰波这一物理现象的基本认识，提升对爆轰燃烧的控制能力，进而加快连续旋转爆轰发动机的发展，为我国航空航天事业提供全新的动力。