超声速扩张通道爆震波自持稳定机理研究

Detonation-driven scramjets can potentially improve propulsion performance greatly compared with traditional scramjets based on Brayton cycle; however, detonation self-sustainment propagation and dynamical stabilization in supersonic flows are key issues for actual applications. For unique unburned jets generated in supersonic incoming flows in expanding channels, this project combines numerical simulations and experimental observations with assistant theoretical analysis to investigate unburned jet interaction with detonation wave in order to understand the mechanism of detonation self-sustainment propagation and dynamical stabilization. Meanwhile, considering nonuniform characteristics of actual supersonic incoming flows, investigation for influence of nonuniform incoming flows on unburned jet interaction with detonation wave is carried out to clarify new phenomena and laws. The results will contribute to illuminating of mechanisms and laws of detonation self-sustainment propagation and dynamical stabilization in supersonic flows in expanding channels, thus providing design theory and method for actual applications of detonation-driven scramjets.

基于爆震燃烧的新型超燃冲压发动机能够潜在大幅提升传统基于Brayton循环的超燃冲压发动机推力性能，而超声速气流中爆震自持传播与动态稳定则是其应用实现的关键问题。考虑临近真实扩张通道超声速气流中出现的独特未燃射流结构，本项目拟采用数值模拟与实验观测，辅以理论分析，研究未燃射流与爆震波相互作用机理，揭示扩张通道中爆震自持传播与动态稳定机理。同时，考虑真实超声速不均匀来流特性，开展来流不均匀特性对未燃射流与爆震波相互作用的影响研究，明晰不均匀来流条件下爆震自持传播与动态稳定呈现的新现象新规律。研究成果将有助于揭示临近真实燃烧室超声速气流中爆震自持传播与动态稳定机制与规律，为基于爆震燃烧的新型超燃冲压发动机应用提供设计理论和依据。

本项目以基于爆震燃烧的新型超燃冲压发动机为背景，开展了超声速扩张燃烧室爆震的动态稳定和自持传播机制研究。通过使用开源程序AMROC，采用混合的六阶WENO-CD格式，求解耦合一步、两组分反应模型的Navier-Stokes方程。结果表明，剪切层与未燃射流的相互作用、流体动力通道的形成以及斜压诱导涡量机制都对爆震波在超声速扩张通道中的动态稳定和自持传播起着重要作用。随着膨胀角的增大，扩大后的未燃射流逐渐延伸出音速线，放热不足不利于爆震波的稳定传播，最终导致爆震破坏。意味着，可能存在临界角θCT。当爆震角小于θCT时，爆震波可以在扩张通道中实现动态稳定，而爆震波在CJ速度以下传播且角度大于θCT时最终会爆震失败。研究发现，通过动态改变扩张角控制运动边界，可以有效地抑制连续爆震波的衰减，并成功地实现了爆震波的前向传播，表明通过动态控制运动边界可以实现爆震波的动态稳定传播。进一步地，开展了速度不均匀对超声速扩张燃烧室爆震传播的影响研究，结果表明，在超声速来流速度不均匀的影响下，除膨胀扇诱导的未燃射流外，速度剪切层在爆震波后也诱导了类似的未燃射流。爆震波呈现异步动态传播模式，可有效削弱快速释热带来的爆震衰减效应。此外，爆震波在不同速度剪切层条件下呈现不同的传播特性，剪切层的速度差值越大，爆震波面的波动也越大。