旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)里的縱向脈沖爆轟波和旋轉(zhuǎn)爆轟波.pdf

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1、第五屆爆震與新型推進(jìn)編號(hào)：35學(xué)術(shù)會(huì)議論文旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)里的縱向脈沖爆轟波和旋轉(zhuǎn)爆轟波1，*222王宇輝，王超，樂(lè)嘉陵，黃思源1.西南科技大學(xué)燃燒空氣動(dòng)力學(xué)研究中心，四川綿陽(yáng)621010；2.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心吸氣式高超聲速技術(shù)研究中心，四川綿陽(yáng)621000摘要：在旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)里，非正規(guī)的縱向脈沖爆轟波比較常見(jiàn)。本文對(duì)旋轉(zhuǎn)爆轟波和縱向脈沖爆轟波開(kāi)展進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究。燃燒室爆轟環(huán)腔外徑100mm，寬10mm，長(zhǎng)117mm?？諝馔ㄟ^(guò)60個(gè)直徑2mm圓柱孔軸向、氫氣通過(guò)2mm寬環(huán)縫徑向流入環(huán)腔。結(jié)果表明，瞬態(tài)的縱向脈沖爆轟波可以轉(zhuǎn)為穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)爆轟波，縱向

2、脈沖爆轟波一個(gè)循環(huán)里存在爆轟熄火現(xiàn)象。關(guān)鍵詞：縱向脈沖爆轟波旋轉(zhuǎn)爆轟波高速攝影氫氣1.前言旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)（RotatingDetonationEngine,CDE），又名連續(xù)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)（ContinuousDetonationEngine,RDE）或連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)（ContinuouslyRotatingDetonationEngine,CRDE）也是一種基于爆轟燃燒的發(fā)動(dòng)機(jī)，由于流量連續(xù)，結(jié)構(gòu)緊湊，理論熱效率和比沖較高，近年來(lái)成為很多公司和科研機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)。該發(fā)動(dòng)機(jī)里，旋轉(zhuǎn)爆轟波（RotatingDetonationWave,RDW）數(shù)量可能超過(guò)一

3、個(gè)。[1-2]AerojetRocketdyn公司自從2010年起，進(jìn)行了650次多種噴嘴、多種噴管、多種推進(jìn)物（氫氣，甲烷，乙烷，JP-8,JP-10）以及有無(wú)等離子體增強(qiáng)的RDE測(cè)試，當(dāng)量比范圍0.4-1.2，直徑21cm。評(píng)估表明在相同的流動(dòng)條件下，爆轟波行為依賴(lài)于發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造，使用等離子體增強(qiáng)系統(tǒng)可以增大爆轟波速度，減少對(duì)強(qiáng)化空氣的需求。RDE代替常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)后，同樣釋熱條件下燃油消耗減少14%，每年每臺(tái)在服役渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)可減少500萬(wàn)美元燃油消耗。在美國(guó)能源部第二階段RDE項(xiàng)目資助下，AerojetRocketdyne投入7,570,127美元發(fā)展吸

4、氣式渦輪旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)，旨在達(dá)到65%的聯(lián)合循環(huán)效率；項(xiàng)目時(shí)間為2014年10[3]月到2019年3月，燃料為天然氣。美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室和創(chuàng)新科學(xué)方案公司使用空軍研究實(shí)驗(yàn)室的爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)研究設(shè)施的推力臺(tái)架實(shí)驗(yàn)研究了具有不同結(jié)構(gòu)噴管的旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)[4]機(jī)（圖1，直徑6英寸），目的為測(cè)量推力和比沖等推進(jìn)性能。他們特別比較了不同的內(nèi)部噴管結(jié)構(gòu)，包括鈍體、塞式噴管、堵塞塞式噴管等構(gòu)造。他們采用毛細(xì)管平均壓力技術(shù)進(jìn)行的軸向靜壓測(cè)量表明在環(huán)腔里存在混合區(qū)域、爆轟循環(huán)區(qū)域和穩(wěn)定排氣區(qū)域；通過(guò)質(zhì)量流量函數(shù)測(cè)試了噴管擁塞所要求的滯止?fàn)顟B(tài)條件。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，噴管擁塞或部分擁塞需

5、要在燃燒室內(nèi)產(chǎn)生滯止壓力增加量。增壓效應(yīng)是當(dāng)量比函數(shù)，最大滯止壓力增加量可達(dá)到3-7%,具體取決于發(fā)動(dòng)機(jī)流量。出口擁塞的滯止情況可以反映比推力，并可以與測(cè)量的推力比較；結(jié)果發(fā)現(xiàn)計(jì)算出的比推力明顯大于測(cè)量值，這是由穿過(guò)尾氣的激波造成總壓損失引起的。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)爆轟現(xiàn)象之后的激波/膨脹波環(huán)境的理解將有助于減小總壓損失，提高推進(jìn)性能。他們還改變?nèi)紵噎h(huán)腔寬度，對(duì)旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了推力測(cè)試，研究了尺度參數(shù)對(duì)性能的影響[5]。這些參數(shù)包括空氣噴射面積膨脹比、爆轟腔的質(zhì)量流密度和噴管喉部的收縮面積。該工作研究的焦點(diǎn)在于確認(rèn)流動(dòng)變量之間的關(guān)系，該關(guān)系可以幫助確認(rèn)幾何結(jié)構(gòu)對(duì)

6、試驗(yàn)中的比沖和比推力的影響。該RDE中心柱直徑為138.6mm，外殼長(zhǎng)度為114.3mm，爆轟環(huán)腔寬度分別為7.62mm(0.3inch)，16.25mm(0.64inch)，22.86mm(0.9inch)；氣動(dòng)塞式噴管與燃燒室集成，起到了散熱作用。燃料使用氫氣和乙烯，流量范圍為0.61-1.82kg/s，當(dāng)量比范圍為0.6-1.35；氣體質(zhì)量流量通過(guò)上游歧管的聲速?lài)娮鞙y(cè)量。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（NSFC11602207和91641103）燃料效率可以和有效總壓交換；改變噴管收縮面積可以比較明顯地看出此效應(yīng)。他們對(duì)乙烯/

7、空氣推進(jìn)劑和氫氣/空氣推進(jìn)劑的性能進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)所得結(jié)果和脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論預(yù)測(cè)符合的很好。乙烯/空氣推進(jìn)劑的性能達(dá)到了期望結(jié)果，鼓舞人心，盡管依然存在很多技術(shù)挑戰(zhàn)，比如重型碳?xì)淙剂系膽?yīng)用。隨著流量增加，比沖和比推力增加，這是因?yàn)榱髁吭黾恿巳紵覂?nèi)爆轟波前反應(yīng)物的壓力以及爆轟燃燒增加了背壓。在輕度富燃料區(qū)域，比推力達(dá)到最大值，這和爆轟增壓的最大值所處的混合物狀況是一致的。日本名古屋大學(xué)等單位將在2018年開(kāi)展基于旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的探空火箭飛行實(shí)驗(yàn)，推力500[6]N，比沖300s。[4]圖1各種實(shí)驗(yàn)中的噴管結(jié)構(gòu)示意圖[7-9]北京大學(xué)在旋轉(zhuǎn)爆轟

8、發(fā)動(dòng)機(jī)方面開(kāi)展了大量的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。他們發(fā)現(xiàn)在空心燃燒室里爆