旋轉爆轟流場的三間斷結構重構機理研究

《旋轉爆轟流場的三間斷結構重構機理研究》是依託中國空氣動力研究與發展中心，由黃思源擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：旋轉爆轟流場的三間斷結構重構機理研究
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：黃思源
• 依託單位：中國空氣動力研究與發展中心

項目摘要

旋轉爆轟流場的三間斷結構由旋轉爆轟波、斜激波和接觸間斷組成。我們的數值模擬結果表明旋轉爆轟波在受到外界擾動時容易發生衰退，三間斷結構遭到破壞，但旋轉爆轟波會很快重新加速並趨於穩定，使得三間斷結構重新構建。但這些研究是初步的，本項目將通過實驗和數值模擬深入研究三間斷結構的重構機理，開發誘導新爆轟波的技術，以提高發動機工作穩定性。實驗採用氣體質量流量計、PCB壓力感測器、麥克風和電阻式溫度感測器等設備測量旋轉爆轟的相關參數，並通過高速紋影攝影技術和OH*化學發光法觀察其演化規律。數值模擬使用隱式算法、非定常密度基求解器、三維粘性模型，以及一步反應或詳細反應機理的反應模型。燃料和氧化劑分別為氫氣和空氣。主要研究內容包括三間斷結構重構過程，質量流量、當量比和燃燒室直徑對三間斷結構重構過程的影響以及三間斷結構的主動重構。關鍵科學問題為三間斷結構重新構建的基本準則和無量綱時間。

結題摘要

旋轉爆轟流場的三間斷結構由旋轉爆轟波、斜激波和接觸間斷組成。三間斷結構影響爆轟波穩定性。我們通過數值模擬和實驗研究了三間斷結構的重構過程，以及基於乙烯的吸氣式旋轉爆轟發動機燃燒流場。使用了石英玻璃製造的透明燃燒室，通過基於OH*化學發光法的高速攝影拍攝到了不穩定的旋轉爆轟波。結果表明在激波干擾後，旋轉爆轟波衰減過程中，前導激波和反應面解耦，接觸間斷變成低溫反應物間隙，反應物流出燃燒室，但該過程是短暫的。由於爆燃轉爆轟過程，反應面會加速，形成穩定的爆轟波。在此過程中，接觸間斷由燃燒室出口發展到入口，重新產生穩定的旋轉爆轟三間斷結構。由於爆轟波速度較高，燃料和空氣沒有充分混合，少部分反應物團來不及爆轟就跑到爆轟波後方，繼續進行緩燃。當量比過低時，旋轉爆轟波速度較低，部分反應物直接流出燃燒室，形成浪費型旋轉爆轟波。對於浪費型旋轉爆轟波，由於爆轟波面延伸到燃燒室出口，流場不具有與爆轟波耦合的斜激波和接觸間斷。此外，首次實現基於室溫乙烯-空氣的非預混旋轉爆轟發動機燃燒技術，解決了常溫下乙烯和空氣快速混合的技術難題。空筒燃燒室環腔外徑100 mm，長151 mm。對於空氣流量465–689 g/s，當量比 0.47–1.06，旋轉爆轟波速度為1256–1653 m/s，大部分速度超過理論值的80%。發現兩種不可維持的旋轉爆轟波。第一種發生在爆轟波存在的當量比邊界上。第二種是由於旋轉爆轟波高度變化引起爆炸導致的。爆轟波高度變化使得反應物遇到來自預爆轟管的高溫產物，從而爆炸。由於改變爆轟波高度的壓力波隨機，第二種爆轟波也是隨機的，罕見的。