旋转爆轰流场的三间断结构重构机理研究

Triple discontinuities in rotating detonation flow field are comprised of rotating detonation waves, oblique shock waves and contact surfaces. Our previous numerical study showed rotating detonation would decay with triple discontinuities broken due to perturbations, but rotating detonation would soon accelerate and became steady with triple discontinuities reconstructed. However, the numerical study is preliminary. The reconstruction mechanism of triple discontinuities and the technology inducing new detonation waves to improve engine stabilities will be studied experimentally and numerically here. Gas mass flow meters, PCB pressure sensors, microphones, resistance temperature detectors, high speed schlieren photography and imaging of OH* chemiluminescence are used to measure the parameters of rotating detonation and observe detonation waves. Transient density-based solver with implicit formulation, three-dimensional viscous models and the reaction models with one step reaction or detailed chemical kinetic mechanisms are employed in the numerical simulations. The fuel and oxidant are hydrogen and air, respectively. The main content includes reconstruction processes of triple discontinuities, effects of the mass flow rates, equivalence ratios and combustor diameters on the reconstruction processes, and the active reconstruction of triple discontinuities. The ground rules and dimensionless time of reconstruction of triple discontinuities are the key scientific issues.

旋转爆轰流场的三间断结构由旋转爆轰波、斜激波和接触间断组成。我们的数值模拟结果表明旋转爆轰波在受到外界扰动时容易发生衰退，三间断结构遭到破坏，但旋转爆轰波会很快重新加速并趋于稳定，使得三间断结构重新构建。但这些研究是初步的，本项目将通过实验和数值模拟深入研究三间断结构的重构机理，开发诱导新爆轰波的技术，以提高发动机工作稳定性。实验采用气体质量流量计、PCB压力传感器、麦克风和电阻式温度传感器等设备测量旋转爆轰的相关参数，并通过高速纹影摄影技术和OH*化学发光法观察其演化规律。数值模拟使用隐式算法、非定常密度基求解器、三维粘性模型，以及一步反应或详细反应机理的反应模型。燃料和氧化剂分别为氢气和空气。主要研究内容包括三间断结构重构过程，质量流量、当量比和燃烧室直径对三间断结构重构过程的影响以及三间断结构的主动重构。关键科学问题为三间断结构重新构建的基本准则和无量纲时间。

旋转爆轰流场的三间断结构由旋转爆轰波、斜激波和接触间断组成。三间断结构影响爆轰波稳定性。我们通过数值模拟和实验研究了三间断结构的重构过程，以及基于乙烯的吸气式旋转爆轰发动机燃烧流场。使用了石英玻璃制造的透明燃烧室，通过基于OH*化学发光法的高速摄影拍摄到了不稳定的旋转爆轰波。结果表明在激波干扰后，旋转爆轰波衰减过程中，前导激波和反应面解耦，接触间断变成低温反应物间隙，反应物流出燃烧室，但该过程是短暂的。由于爆燃转爆轰过程，反应面会加速，形成稳定的爆轰波。在此过程中，接触间断由燃烧室出口发展到入口，重新产生稳定的旋转爆轰三间断结构。由于爆轰波速度较高，燃料和空气没有充分混合，少部分反应物团来不及爆轰就跑到爆轰波后方，继续进行缓燃。当量比过低时，旋转爆轰波速度较低，部分反应物直接流出燃烧室，形成浪费型旋转爆轰波。对于浪费型旋转爆轰波，由于爆轰波面延伸到燃烧室出口，流场不具有与爆轰波耦合的斜激波和接触间断。此外，首次实现基于室温乙烯-空气的非预混旋转爆轰发动机燃烧技术，解决了常温下乙烯和空气快速混合的技术难题。空筒燃烧室环腔外径100 mm，长151 mm。对于空气流量465–689 g/s，当量比 0.47–1.06，旋转爆轰波速度为1256–1653 m/s，大部分速度超过理论值的80%。发现两种不可维持的旋转爆轰波。第一种发生在爆轰波存在的当量比边界上。第二种是由于旋转爆轰波高度变化引起爆炸导致的。爆轰波高度变化使得反应物遇到来自预爆轰管的高温产物，从而爆炸。由于改变爆轰波高度的压力波随机，第二种爆轰波也是随机的，罕见的。