射流駐渦作用下爆震波起始及其自持傳播機制的研究

《射流駐渦作用下爆震波起始及其自持傳播機制的研究》是依託廈門大學，由黃玥擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：射流駐渦作用下爆震波起始及其自持傳播機制的研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：黃玥
• 依託單位：廈門大學

項目摘要

如何快速、可靠的形成爆震波是脈衝爆震發動機（PDE）實際可行性的最關鍵的技術挑戰之一。本項目申請提出了射流駐渦加速爆震波起始的方法，將橫向射流穩焰和駐渦高效燃燒的理念相結合，與傳統障礙物起爆方式比較，有著諸多突出的優點：如總壓損失小、可主動控制和沒有熱壅塞。項目採用數值計算與實驗相結合方法，首先開展了射流駐渦物理模型和燃燒動力學研究，獲得射流駐渦加速緩燃轉爆震（DDT）過程的高解析度時序圖和高速運動氣流中爆震波傳播的特性。在冷熱態數值模擬的基礎上，通過冷熱態試驗研究射流駐渦冷態流場特性和射流駐渦加速爆震波起始的規律及爆震波反應區的結構，採集DDT過程的溫度、壓力分布、紋影圖像和爆震波反應區PLIF圖像。比較和分析數值和研究的結果，得出射流駐渦作用下DDT機制以及其自持傳播特性。項目預期成果加強渦-火焰相互作用和續運動氣流中爆震波自持的物理認識，為射流駐渦用於PDE工程化提供有用的理論依據。

結題摘要

緩燃向爆震轉變（Deflagration-to-Detonation Transition，DDT）是爆震燃燒研究的核心內容，也是國內外脈衝爆震發動機（Pulsed Detonation Engines，PDE）研究人員最關注的領域。為縮短DDT時間和距離，近年來國外學者提出採用流體障礙物的形式替代傳統障礙物作為PDE的助爆裝置，但相關研究仍處於起步階段。本項目針對流體障礙物觸發爆震波產生及穩定傳播過程中的諸多問題進行了研究。通過高精度數值模擬研究了橫向射流產生的渦與火焰相互作用，以及射流對爆震波起始和自持傳播影響的物理機制。針對實際工程套用，通過試驗進一步研究了單股射流噴射參數以及多股射流障礙物設定規律。主要研究結果如下： （1）通過二維冷態流場模擬對比分析橫向射流和障礙物對主流的總壓損失規律，結果表明，相同阻塞比的橫向射流在高來流馬赫數下總壓損失小於障礙物。橫向射流在受限空間內噴射，在噴射口兩側誘導形成反向旋渦對，流場的湍動能隨反向旋渦對向下運動而增加，在射流撞擊壁面時達到最大。 （2）採用高精度數值方法直接求解二維反應流N-S方程，對帶固體和射流障礙物通道內流場進行模擬。結果表明，當在爆震管中加入流體障礙物後，向上游流動的射流分量在初期阻礙了火焰的傳播，使得加入射流後初始階段火焰的速度小於光滑管的速度。當射流與火焰相互作用時，射流初始動能、高於主流的壓力、火焰前鋒面扭曲導致的反應速率增大，這幾方面共同作用使得火焰鋒面速度急劇增加。火焰逐漸加速，直至在火焰前鋒面處產生局部爆炸，並逐漸發展成全局的爆震傳播。相比光滑管工況，加入射流後DDT時間、距離都明顯提前。 （3）對橫向射流影響DDT特性的爆震試驗研究表明，射流噴射的時刻和位置，將影響射流駐渦與火焰接觸時刻的結構，帶來不同的加速效果。相比於單股射流，雙射流能在燃燒室內形成更多的擾動，促使火焰更快完成緩燃向爆震的轉捩。此外，當射流噴射形式改變時，均會產生不同程度的加速效果，火焰在中前段就十分明亮，並迅速地發展為爆震。但是在燃燒室中段的對噴射流會加大流場的阻塞比，阻礙火焰的傳播。對於所有射流噴射的試驗工況，噴射位置靠近點火端時DDT時間較短，射流駐渦在火焰傳播初始階段加速效果明顯，因此對於工程套用，採用多股射流助爆裝置設定在爆震管的前部更利於縮短DDT的時間和距離。