摘要
爆轰燃烧具有热力循环效率高、释能密度高、热释放速率快的特点，而旋转爆轰发动机(Rotating Detonation Engine, RDE)是一种基于爆轰燃烧的新型发动机，通过在环形燃烧室内形成一个或多个沿周向自持传播的旋转爆轰波产生推力。而在以常温煤油和空气为工质的 RDE 研究中，如果煤油液滴经过雾化后直径过大或与空气掺混特性较差，将会导致解耦并熄爆。在燃料中加入氢气这样活性较高的气态燃料能够大大增加成功起爆的几率，提高爆轰波传播稳定性。因此，本文采用数值模拟和实验研究等方法，对氢气-煤油-空气连续旋转爆轰发动机传播特性开展了研究工作，主要工作有以下几点： 开展了氢气-煤油-空气连续旋转爆轰发动机的内流场二维数值模拟研究，分析了质量流量和氢气占比对旋转爆轰波传播特性以及模态的影响，探究了气-液两相爆轰中的气液不均匀现象。计算结果表明，在成功起爆工况下，爆轰波有3种传播模态，即单波模态、双波对撞转单波模态和双波对撞转双波模态，提高质量流量或氢气占比有利于爆轰波由单波模态向双波模态转换；初始点火起爆形成的正向爆轰和反向激波对撞并透射，透射激波在缓燃区附近诱导产生局部热点并形成新的爆轰波，经过一系列对撞、透射湮灭和增强过程，最终形成稳定的单波或双波模态；当爆轰波稳定后，旋转爆轰波稳定传播时内流场可以分为缓燃区1、富燃区2、富氧区3和填充区4共4个区域。 开展了不同喷注结构对氢气-煤油-空气RDE影响数值模拟研究，对不同进气喷孔构型和不同氢气占比下旋转爆轰发动机传播特性进行了研究，分析了不同喷孔结构和燃烧室之间的相互影响。结果表明：当燃料中氢气占比提高到29.8%时，当喷孔出口截面积较小时旋转爆轰波在燃烧室内以同向双波模态传播；爆轰波与反射激波会压缩喷孔出口气流，从而影响喷孔进气过程。进气喷孔中气流流动状态可分为受爆轰波影响产生回流、受爆轰波影响不产生回流和不受爆轰波影响三种状态。 开展了氢气燃料和氢气-煤油混合燃料RDE实验研究，分析了两种不同燃料的RDE点火起爆和旋转爆轰波自持传播过程，探究了不同当量比和氢气占比下的旋转爆轰波的自持传播特性，最后对发动机的性能进行了分析。结果表明，从给出点火信号到PCB采集到压力信号需要几十毫秒的时间。氢气-煤油-空气RDE初始爆轰波进入燃烧室后逐渐减弱最终解耦，燃烧室内爆轰波重复了几次熄爆与再起爆过程后最终形成稳定自持传播的旋转爆轰波；在氢气-空气RDE中，当量比降低到0.56时燃烧室内爆轰与爆燃并存；在氢气-煤油-空气RDE中爆轰波速度亏损更高，当燃料中氢气占比较低时爆轰与爆燃在燃烧室内并存，当燃料中氢气占比较高时旋转爆轰波频率会在某一时刻突然增大。
NETL