旋轉爆震波形成、穩定傳播機理及控制研究

《旋轉爆震波形成、穩定傳播機理及控制研究》是依託南京理工大學，由王棟擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：旋轉爆震波形成、穩定傳播機理及控制研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：王棟
• 依託單位：南京理工大學

項目摘要

本課題針對旋轉爆震發動機（RDE），開展旋轉爆震波形成、傳播機理及控制的實驗與數值研究，實驗探討旋轉爆震波的起始條件，結合數值模擬分析其形成過程，指導旋轉爆震波起始方法的最佳化；在不同填充壓力、湍流強度、燃料/氧化劑混合程度、填充方式、壁面換熱、混合物性質等條件下，通過實驗研究確定旋轉爆震波穩定傳播的主要影響因素，明確多波頭結構產生與消失的原因，結合數值模擬，揭示旋轉爆震波穩定傳播機理以及波繫結構與傳播穩定性間的關係，明確多波頭結構產生與消失的發展過程；在此基礎上提出旋轉爆震波的控制方法，分析旋轉爆震波控制的回響時間以及周向滯后角等，揭示旋轉爆震波的控制規律。本課題將為解決RDE的可靠起始及長時間穩定工作難題提供依據，並為RDE的進一步實驗研究和理論分析奠定基礎，對豐富和發展爆震波理論、促進基於爆震燃燒的推進裝置的發展具有重要的科學意義。

結題摘要

旋轉爆震發動機（Rotating detonation engine，簡稱RDE）是一種新型動力裝置，具有能量釋放速度快、熱循環效率高、結構簡單緊湊、工作頻率高等優點，在未來推進領域具有廣闊的套用前景，近年來受到世界各國的廣泛關注。因此，本項目通過實驗和數值模擬相結合的方法，對氣相氫氣/空氣旋轉爆震發動機的基礎科學問題展開研究，如旋轉爆震波的形成、傳播機制，多波頭產生及控制等。 為開展旋轉爆震波研究工作，設計了多套旋轉爆震發動機模型，建立了旋轉爆震發動機的實驗和測量系統，發展了一套可模擬旋轉爆震燃燒室內流動和燃燒問題的程式代碼。測試了普通汽車火花塞、高能火花塞和預爆震管作為點火裝置的可行性，結合高頻壓力測量和高速攝影，分析了不同點火能量和方式下旋轉爆震波的建立過程，結果表明：三種裝置均能夠成功點火，爆震波建立時間隨點火能量的提高而降低；相同工況下，發動機的工作特性與點火方式無關；採用低能量火花放電點火，驗證了旋轉爆震波可以通過火焰加速和DDT過程形成。 分析了旋轉爆震波傳播穩定性，發現了爆震波強弱交替、解耦、轉向三種非穩定傳播模式，研究了不同非穩定傳播模式的形成條件和變化過程，獲得了旋轉爆震發動機穩定工作邊界，研究表明：旋轉爆震波能否連續穩定傳播受燃燒室壓力和噴注過程相互作用的影響，提高燃料與氧化劑的混合效果有利於增加旋轉爆震波的傳播穩定性，拓寬發動機穩定工作邊界。 結合實驗和數值模擬結果，揭示了兩種旋轉爆震波多波頭形成機制：一種是旋轉爆震燃燒室出口收斂段產生的反射激波向上游傳播，在燃燒室頭部產生新的熱點，並轉變成新的旋轉爆震波；另一種是新鮮反應物的提前燃燒形成局部熱點，最終產生新的旋轉爆震波。旋轉爆震波的波頭數主要受當量比和質量通量影響。通過調節當量比和質量通量可以控制旋轉爆震波的波頭數，通過實驗和數值模擬驗證了旋轉爆震波單、雙波轉變控制的可行性。