推进技术
2021年第42卷第4期文章目次
2021, 42(4):721-737.
DOI: 10.13675/j.cnki.tjjs.210109
摘要:
爆震是实现增压燃烧的一种重要途径，得益于爆震循环的热效率增益，基于爆震构建的推进装置具有显著的理论性能优势，有希望推动航空航天动力技术的跨越发展。本文在总结经典爆震理论和爆震推进相关的基础科学问题进展的基础上，进一步介绍了连续旋转爆震发动机的低阶模型建立方法以及涡轮式和冲压式连续旋转爆震发动机性能分析等方面的研究进展，并概括了斜爆震发动机的性能分析和关键问题研究进展。最后基于当前研究基础提出对爆震发动机未来研究的展望。
爆震是实现增压燃烧的一种重要途径，得益于爆震循环的热效率增益，基于爆震构建的推进装置具有显著的理论性能优势，有希望推动航空航天动力技术的跨越发展。本文在总结经典爆震理论和爆震推进相关的基础科学问题进展的基础上，进一步介绍了连续旋转爆震发动机的低阶模型建立方法以及涡轮式和冲压式连续旋转爆震发动机性能分析等方面的研究进展，并概括了斜爆震发动机的性能分析和关键问题研究进展。最后基于当前研究基础提出对爆震发动机未来研究的展望。
2021, 42(4):738-744.
DOI: 10.13675/j.cnki.tjjs.200758
摘要:
针对斜爆轰发动机简化模型，采用多组分基元化学反应流动数值模拟技术，数值分析了斜爆轰波系在受限空间内的宏观结构特征及其演变，并进一步分析了爆轰波系结构转变的临界条件。研究结果发现，随着楔面角度的增加，依次出现四种结构：激波诱导燃烧、斜爆轰波双规则反射、回流区马赫反射、楔面燃烧。对于稳定的波系结构，楔面压缩角同时存在下临界、亚临界以及超临界三种极限条件，在波系演变过程还伴随激波规则反射和马赫反射的转变。
针对斜爆轰发动机简化模型，采用多组分基元化学反应流动数值模拟技术，数值分析了斜爆轰波系在受限空间内的宏观结构特征及其演变，并进一步分析了爆轰波系结构转变的临界条件。研究结果发现，随着楔面角度的增加，依次出现四种结构：激波诱导燃烧、斜爆轰波双规则反射、回流区马赫反射、楔面燃烧。对于稳定的波系结构，楔面压缩角同时存在下临界、亚临界以及超临界三种极限条件，在波系演变过程还伴随激波规则反射和马赫反射的转变。
2021, 42(4):745-754.
DOI: 10.13675/j.cnki.tjjs.200245
摘要:
为了分析不同直径圆球诱导振荡燃烧的规律，并揭示圆球大小在振荡燃烧现象中所发挥的深层次作用，采用二维轴对称Euler方程和基元反应模型，对不同直径的圆球在H2/air预混气体中诱导振荡燃烧的现象开展数值模拟研究。研究发现，振荡频率并不是简单地随直径增大而逐渐从高频向低频连续过渡，而是存在两次突变，形成了超高频、高频以及低频三种振荡燃烧模态。在两种模态间过渡时，振荡达到稳定状态前，会存在一段双频耦合的振荡阶段。三种不同振荡燃烧模态的产生是受到了不同振荡机制的作用，而两种模态间过渡时的双频耦合现象则是两种机制相互竞争的结果。
为了分析不同直径圆球诱导振荡燃烧的规律，并揭示圆球大小在振荡燃烧现象中所发挥的深层次作用，采用二维轴对称Euler方程和基元反应模型，对不同直径的圆球在H2/air预混气体中诱导振荡燃烧的现象开展数值模拟研究。研究发现，振荡频率并不是简单地随直径增大而逐渐从高频向低频连续过渡，而是存在两次突变，形成了超高频、高频以及低频三种振荡燃烧模态。在两种模态间过渡时，振荡达到稳定状态前，会存在一段双频耦合的振荡阶段。三种不同振荡燃烧模态的产生是受到了不同振荡机制的作用，而两种模态间过渡时的双频耦合现象则是两种机制相互竞争的结果。
2021, 42(4):755-764.
DOI: 10.13675/j.cnki.tjjs.200390
摘要:
针对脉冲爆轰发动机在水下工作过程中形成的燃气射流问题，搭建了水下爆轰燃气实验系统，研究了第一个爆轰循环中燃气泡发展变化过程。建立了基于气液两相双流体模型的脉冲爆轰发动机水下喷射模型，采用时-空守恒元和求解元方法，模拟了爆轰波与水相互作用形成的激波的传播及衰减过程。研究结果表明：燃气射流冲击水面时，燃气泡形态在膨胀阶段受到水介质的阻滞作用呈现“豌豆”状，其轴向与径向尺寸有不同的发展规律；同时燃气泡内由于气水冲击作用和燃气扩散受限一直保持较高压力；前导激波传播速度远大于燃气泡发展速度，脱离燃气泡后激波压力值迅速衰减至常压量级，且在中心轴线上的衰减最为剧烈，导致其强度指向性发生改变；前导激波在气液交界面处产生反射，回传的反射激波与后续气流形成的拦截激波碰撞在燃气泡内出现回击现象，使管口附近形成较高的压力峰值。
针对脉冲爆轰发动机在水下工作过程中形成的燃气射流问题，搭建了水下爆轰燃气实验系统，研究了第一个爆轰循环中燃气泡发展变化过程。建立了基于气液两相双流体模型的脉冲爆轰发动机水下喷射模型，采用时-空守恒元和求解元方法，模拟了爆轰波与水相互作用形成的激波的传播及衰减过程。研究结果表明：燃气射流冲击水面时，燃气泡形态在膨胀阶段受到水介质的阻滞作用呈现“豌豆”状，其轴向与径向尺寸有不同的发展规律；同时燃气泡内由于气水冲击作用和燃气扩散受限一直保持较高压力；前导激波传播速度远大于燃气泡发展速度，脱离燃气泡后激波压力值迅速衰减至常压量级，且在中心轴线上的衰减最为剧烈，导致其强度指向性发生改变；前导激波在气液交界面处产生反射，回传的反射激波与后续气流形成的拦截激波碰撞在燃气泡内出现回击现象，使管口附近形成较高的压力峰值。
2021, 42(4):765-775.
DOI: 10.13675/j.cnki.tjjs.200724
摘要:
考虑基元反应条件下的爆轰波精细结构的数值模拟计算量巨大，发展高精度和高效率的计算方法十分必要。以Ma=7的H2/O2/N2预混气来流形成的斜爆轰波为数值模拟对象，研究了一种基于并行计算架构的用于加速化学反应计算的建表算法的计算性能，考察了不同建表策略，即TP（Transposed processing）策略和PLP（Purely local processing）策略，以及不同并行分区数量对算法性能的影响。研究结果显示，本文采用的建表算法能够很好地再现斜爆轰结构，其计算精度不受建表策略和并行计算分区数量的影响；而算法的计算效率则取决于不同分区对应的数据表之间操作的同步性，其中，数据表中节点数据的取回率和数据表设定的尺寸上限都会影响数据表操作的同步性。本文采用的两种建表策略的计算结果表明，TP策略数据表中节点取回率高于PLP策略，故计算效率更高；而计算分区数量越少，则分区对应的数据表尺寸上限越大，数据表的同步性就越好，计算效率也越高。
考虑基元反应条件下的爆轰波精细结构的数值模拟计算量巨大，发展高精度和高效率的计算方法十分必要。以Ma=7的H2/O2/N2预混气来流形成的斜爆轰波为数值模拟对象，研究了一种基于并行计算架构的用于加速化学反应计算的建表算法的计算性能，考察了不同建表策略，即TP（Transposed processing）策略和PLP（Purely local processing）策略，以及不同并行分区数量对算法性能的影响。研究结果显示，本文采用的建表算法能够很好地再现斜爆轰结构，其计算精度不受建表策略和并行计算分区数量的影响；而算法的计算效率则取决于不同分区对应的数据表之间操作的同步性，其中，数据表中节点数据的取回率和数据表设定的尺寸上限都会影响数据表操作的同步性。本文采用的两种建表策略的计算结果表明，TP策略数据表中节点取回率高于PLP策略，故计算效率更高；而计算分区数量越少，则分区对应的数据表尺寸上限越大，数据表的同步性就越好，计算效率也越高。
2021, 42(4):776-785.
DOI: 10.13675/j.cnki.tjjs.200748
摘要:
钝头体激波诱导燃烧是爆震研究的一个基本问题。针对化学恰当量比的H2/Air预混气体在Ma=4.79和Ma=6.46时的激波诱导燃烧现象开展数值研究，采用基于有限体积法的块结构自适应网格加密程序AMROC，对带化学反应源项的轴对称Euler方程解耦求解，考察了数值模拟中不同形式的MUSCL重构格式、限制器类型以及化学反应机理等重要因素对模拟结果的影响。结果表明，程序能够根据设定的加密判据较好地实现网格自适应加密，减小总网格量，实现高效数值模拟。与实验数据的对比表明，非定常激波诱导燃烧算例的准确程度不仅取决于化学反应机理，也取决于限制器类型，而采用两种不同形式的MUSCL重构格式获得的振荡频率则几乎一致，与试验结果的误差分别为1.17%和0.97%。模拟对比经典的Jachimowski机理和近年来新发展的几种包含压力相关反应步的氢/氧反应机理，模拟结果表明：对于Ma=4.79时的非定常激波诱导燃烧模拟，经典的Jachimowski机理仍然是能够给出与实验结果最接近的反应机理；而对于Ma=6.46时的定常激波诱导燃烧模拟，几种反应机理均能给出与实验吻合较好的结果。
钝头体激波诱导燃烧是爆震研究的一个基本问题。针对化学恰当量比的H2/Air预混气体在Ma=4.79和Ma=6.46时的激波诱导燃烧现象开展数值研究，采用基于有限体积法的块结构自适应网格加密程序AMROC，对带化学反应源项的轴对称Euler方程解耦求解，考察了数值模拟中不同形式的MUSCL重构格式、限制器类型以及化学反应机理等重要因素对模拟结果的影响。结果表明，程序能够根据设定的加密判据较好地实现网格自适应加密，减小总网格量，实现高效数值模拟。与实验数据的对比表明，非定常激波诱导燃烧算例的准确程度不仅取决于化学反应机理，也取决于限制器类型，而采用两种不同形式的MUSCL重构格式获得的振荡频率则几乎一致，与试验结果的误差分别为1.17%和0.97%。模拟对比经典的Jachimowski机理和近年来新发展的几种包含压力相关反应步的氢/氧反应机理，模拟结果表明：对于Ma=4.79时的非定常激波诱导燃烧模拟，经典的Jachimowski机理仍然是能够给出与实验结果最接近的反应机理；而对于Ma=6.46时的定常激波诱导燃烧模拟，几种反应机理均能给出与实验吻合较好的结果。
2021, 42(4):786-794.
DOI: 10.13675/j.cnki.tjjs.200828
摘要:
为了研究斜爆轰发动机的稳定燃烧机理，开展了飞行马赫数9的斜爆轰发动机的数值模拟研究和试验研究。设计了全尺度斜爆轰发动机模型，发动机的总长度为2.8m。采用两级进气道压缩，每级压缩角度均为15°。利用三个小支板在进气道前缘主流核心区中进行氢气的喷射和混合。采用带化学反应的雷诺平均N-S方程、SST k-ω模型以及9组分19步反应的基元反应模型，对氢气混合过程和发动机燃烧过程进行了数值模拟研究。结果表明，氢气在进气道内混合得比较均匀，在燃烧室内获得了稳定的斜爆轰流场和正爆轰流场。在激波风洞中开展了马赫数9状态下的斜爆轰发动机稳定燃烧机理试验研究，在50ms的风洞有效试验时间内获得了持续稳定的斜爆轰流场，试验结果与数值模拟结果吻合较好，表明在试验中形成了斜爆轰波。研究结果证明了斜爆轰发动机的技术可行性。
为了研究斜爆轰发动机的稳定燃烧机理，开展了飞行马赫数9的斜爆轰发动机的数值模拟研究和试验研究。设计了全尺度斜爆轰发动机模型，发动机的总长度为2.8m。采用两级进气道压缩，每级压缩角度均为15°。利用三个小支板在进气道前缘主流核心区中进行氢气的喷射和混合。采用带化学反应的雷诺平均N-S方程、SST k-ω模型以及9组分19步反应的基元反应模型，对氢气混合过程和发动机燃烧过程进行了数值模拟研究。结果表明，氢气在进气道内混合得比较均匀，在燃烧室内获得了稳定的斜爆轰流场和正爆轰流场。在激波风洞中开展了马赫数9状态下的斜爆轰发动机稳定燃烧机理试验研究，在50ms的风洞有效试验时间内获得了持续稳定的斜爆轰流场，试验结果与数值模拟结果吻合较好，表明在试验中形成了斜爆轰波。研究结果证明了斜爆轰发动机的技术可行性。
2021, 42(4):795-804.
DOI: 10.13675/j.cnki.tjjs.200184
摘要:
为了解决液态煤油旋转爆震发动机短距离快速起爆问题，进行了煤油/氧气预爆器方案设计。此方案包括双级轴向旋流和离心喷嘴匹配方案、半圆轴向垂直预爆管和圆管切向预爆管等设计，建立了液态煤油/氧气预爆器爆震波特性试验台。探讨了不同工作时序、当量油气比、预爆管结构等对预爆器爆震燃烧特性的影响。结果表明，预爆器产生的爆震波压力达到4.0MPa以上，爆震波传播速度高于1300m/s，液态煤油/氧气最佳当量油气比存在于0.6~0.73之间一点。对比半圆轴向垂直预爆管和圆管切向预爆管，圆管模型爆震波压力明显高于半圆管模型，而传播速度却低于半圆管模型，圆管模型整体存在着前导激波的生成，而半圆管模型却在生成的爆震波后方有明显的压力波动现象。
为了解决液态煤油旋转爆震发动机短距离快速起爆问题，进行了煤油/氧气预爆器方案设计。此方案包括双级轴向旋流和离心喷嘴匹配方案、半圆轴向垂直预爆管和圆管切向预爆管等设计，建立了液态煤油/氧气预爆器爆震波特性试验台。探讨了不同工作时序、当量油气比、预爆管结构等对预爆器爆震燃烧特性的影响。结果表明，预爆器产生的爆震波压力达到4.0MPa以上，爆震波传播速度高于1300m/s，液态煤油/氧气最佳当量油气比存在于0.6~0.73之间一点。对比半圆轴向垂直预爆管和圆管切向预爆管，圆管模型爆震波压力明显高于半圆管模型，而传播速度却低于半圆管模型，圆管模型整体存在着前导激波的生成，而半圆管模型却在生成的爆震波后方有明显的压力波动现象。
2021, 42(4):805-814.
DOI: 10.13675/j.cnki.tjjs.200123
摘要:
为分析点火位置改变对旋转爆震波（RDW）起爆过程的影响，在圆盘形旋转爆震发动机上进行点火实验，研究了不同点火位置、质量流率条件下旋转爆震波的建立过程及工作特性。结果表明，不同点火位置下，RDW的起爆过程皆经历点火器放电、爆燃转爆震以及稳定旋转爆震3个阶段。点火位置靠近喷注面附近时，RDW起爆过程中的无序缓燃模式缩短，起爆时间缩短，且一致性更好。在燃烧室出口位置点火，低质量流率条件下，RDW的起爆时间明显延长；质量流率小幅度提高有效缩短了RDW的起爆时间，而质量流率大幅度提高增加了RDW起爆过程的波头数。模态转变的临界条件附近，点火位置改变可能会影响RDW起爆段的工作模态，在燃烧室中心位置附近点火，更容易得到多波旋转爆震波。点火位置改变对旋转爆震发动机（RDE）稳定段的工作模态和爆震波参数影响很小。
为分析点火位置改变对旋转爆震波（RDW）起爆过程的影响，在圆盘形旋转爆震发动机上进行点火实验，研究了不同点火位置、质量流率条件下旋转爆震波的建立过程及工作特性。结果表明，不同点火位置下，RDW的起爆过程皆经历点火器放电、爆燃转爆震以及稳定旋转爆震3个阶段。点火位置靠近喷注面附近时，RDW起爆过程中的无序缓燃模式缩短，起爆时间缩短，且一致性更好。在燃烧室出口位置点火，低质量流率条件下，RDW的起爆时间明显延长；质量流率小幅度提高有效缩短了RDW的起爆时间，而质量流率大幅度提高增加了RDW起爆过程的波头数。模态转变的临界条件附近，点火位置改变可能会影响RDW起爆段的工作模态，在燃烧室中心位置附近点火，更容易得到多波旋转爆震波。点火位置改变对旋转爆震发动机（RDE）稳定段的工作模态和爆震波参数影响很小。
2021, 42(4):815-825.
DOI: 10.13675/j.cnki.tjjs.200129
摘要:
为推动工程应用，探究斜爆震发动机前体压缩程度对斜爆震燃烧的影响，建立了两道等强激波和斜激波-等熵两种前体压缩简化模型，通过数值模拟对比了飞行马赫数8~10条件下，两种压缩方式对斜爆震波结构以及斜爆震波总压损失的影响。结果表明，前体压缩方式的差异会引起斜爆震波起爆区结构以及起爆位置的变化，且随着飞行马赫数降低，压缩方式对起爆区结构影响减小，对起爆位置影响增大。两道等强激波的前体压缩方式对应的斜爆震燃烧过程总压损失更小，同时可缩短点火起爆距离，有利于缩短燃烧室长度。但综合考虑进气压缩与燃烧过程，斜激波-等熵的前体压缩方式对应燃烧室出口气流总压更大。斜爆震发动机的设计需要综合考虑前体压缩与斜爆震燃烧损失以实现发动机总体性能最优。
为推动工程应用，探究斜爆震发动机前体压缩程度对斜爆震燃烧的影响，建立了两道等强激波和斜激波-等熵两种前体压缩简化模型，通过数值模拟对比了飞行马赫数8~10条件下，两种压缩方式对斜爆震波结构以及斜爆震波总压损失的影响。结果表明，前体压缩方式的差异会引起斜爆震波起爆区结构以及起爆位置的变化，且随着飞行马赫数降低，压缩方式对起爆区结构影响减小，对起爆位置影响增大。两道等强激波的前体压缩方式对应的斜爆震燃烧过程总压损失更小，同时可缩短点火起爆距离，有利于缩短燃烧室长度。但综合考虑进气压缩与燃烧过程，斜激波-等熵的前体压缩方式对应燃烧室出口气流总压更大。斜爆震发动机的设计需要综合考虑前体压缩与斜爆震燃烧损失以实现发动机总体性能最优。
2021, 42(4):826-833.
DOI: 10.13675/j.cnki.tjjs.200177
摘要:
为研究预爆震管点火方式下旋转爆震波的起始和传播过程，采用动态压力传感器、离子探针以及高速摄影等实验手段，分析了旋转爆震波的建立过程，探讨了预爆震管与燃烧室的相互作用，总结了预爆震管出口直径、初始填充压力以及排气时间对旋转爆震波建立和传播的影响。研究表明：由于衍射作用，从垂直安装预爆震管传出的爆震波，在燃烧室内迅速发生解耦，形成两道传播速度相同、方向相反的低速燃烧波。两道燃烧波沿燃烧室周向不断加速并对撞，对撞多次后最终发展成一道旋转爆震波。预爆震管出口直径对旋转爆震波建立时间的影响要明显大于初始填充压力的影响。增大预爆震管出口直径，可提高燃烧室内初道激波和燃烧波的强度，有利于缩短DDT时间，但由于预爆震管对旋转爆震波的传播具有一定消弱作用，旋转爆震波的平均传播速度略有减小。当预爆震管处于排气阶段时，旋转爆震波仍可稳定传播，其排气过程并不影响旋转爆震波建立时间。
为研究预爆震管点火方式下旋转爆震波的起始和传播过程，采用动态压力传感器、离子探针以及高速摄影等实验手段，分析了旋转爆震波的建立过程，探讨了预爆震管与燃烧室的相互作用，总结了预爆震管出口直径、初始填充压力以及排气时间对旋转爆震波建立和传播的影响。研究表明：由于衍射作用，从垂直安装预爆震管传出的爆震波，在燃烧室内迅速发生解耦，形成两道传播速度相同、方向相反的低速燃烧波。两道燃烧波沿燃烧室周向不断加速并对撞，对撞多次后最终发展成一道旋转爆震波。预爆震管出口直径对旋转爆震波建立时间的影响要明显大于初始填充压力的影响。增大预爆震管出口直径，可提高燃烧室内初道激波和燃烧波的强度，有利于缩短DDT时间，但由于预爆震管对旋转爆震波的传播具有一定消弱作用，旋转爆震波的平均传播速度略有减小。当预爆震管处于排气阶段时，旋转爆震波仍可稳定传播，其排气过程并不影响旋转爆震波建立时间。
2021, 42(4):834-841.
DOI: 10.13675/j.cnki.tjjs.200242
摘要:
为了探究障碍物对脉冲爆震火箭发动机在无阀自适应工作方式下性能的影响，采用汽油为燃料，富氧空气为氧化剂，开展了工作频率为20Hz的无阀式多循环实验研究。实验中使用Shchelkin螺旋、螺旋凹槽、环形凹槽和孔板作为障碍物，并分析了其对起爆和推进性能的影响。研究结果表明，Shchelkin螺旋、螺旋凹槽和环形凹槽在阻塞比BR=0.36，0.46和0.56时都可实现PDRE的稳定工作，孔板在BR=0.56时无法实现爆震的起始；Shchelkin螺旋的DDT距离和DDT时间最短；实验测得的平均推力较理想流动模型理论值有13.3%~39.3%的亏损，BR=0.36的Shchelkin螺旋推力损失最小；螺旋凹槽与环形凹槽的DDT距离和DDT时间较长，没有明显的推力增益。
为了探究障碍物对脉冲爆震火箭发动机在无阀自适应工作方式下性能的影响，采用汽油为燃料，富氧空气为氧化剂，开展了工作频率为20Hz的无阀式多循环实验研究。实验中使用Shchelkin螺旋、螺旋凹槽、环形凹槽和孔板作为障碍物，并分析了其对起爆和推进性能的影响。研究结果表明，Shchelkin螺旋、螺旋凹槽和环形凹槽在阻塞比BR=0.36，0.46和0.56时都可实现PDRE的稳定工作，孔板在BR=0.56时无法实现爆震的起始；Shchelkin螺旋的DDT距离和DDT时间最短；实验测得的平均推力较理想流动模型理论值有13.3%~39.3%的亏损，BR=0.36的Shchelkin螺旋推力损失最小；螺旋凹槽与环形凹槽的DDT距离和DDT时间较长，没有明显的推力增益。
2021, 42(4):842-850.
DOI: 10.13675/j.cnki.tjjs.200256
摘要:
为研究基于煤油的旋转爆震波的传播特性，以煤油和含氧量40%的富氧空气作为燃料和氧化剂，对基于燃烧室外径均为100mm的无内柱燃烧室和燃烧室宽度分别为32，26，20mm的环形燃烧室开展了对比实验。不同氧化剂流量下，共观察到四种燃烧波模态，分别为爆燃模态、准稳定爆震模态、双波对撞模态和稳定旋转爆震模态。无内柱燃烧室中，氧化剂流量较低时无法维持旋转爆震波的稳定传播，出现爆燃模态和准稳定爆震模态；当氧化剂流量超过154g/s时，可以得到稳定旋转爆震模态，旋转爆震波峰值压力超过0.7MPa，平均传播速度为1750m/s。对于环形燃烧室，旋转爆震波的传播速度仅为1245~1465m/s，明显低于无内柱燃烧室中的传播速度。随环形燃烧室宽度减小，对应旋转爆震波模态的工况范围更窄，传播速度更慢。在本研究对应的工况范围内，增大燃烧室宽度，更有利于基于煤油的旋转爆震波的稳定传播。
为研究基于煤油的旋转爆震波的传播特性，以煤油和含氧量40%的富氧空气作为燃料和氧化剂，对基于燃烧室外径均为100mm的无内柱燃烧室和燃烧室宽度分别为32，26，20mm的环形燃烧室开展了对比实验。不同氧化剂流量下，共观察到四种燃烧波模态，分别为爆燃模态、准稳定爆震模态、双波对撞模态和稳定旋转爆震模态。无内柱燃烧室中，氧化剂流量较低时无法维持旋转爆震波的稳定传播，出现爆燃模态和准稳定爆震模态；当氧化剂流量超过154g/s时，可以得到稳定旋转爆震模态，旋转爆震波峰值压力超过0.7MPa，平均传播速度为1750m/s。对于环形燃烧室，旋转爆震波的传播速度仅为1245~1465m/s，明显低于无内柱燃烧室中的传播速度。随环形燃烧室宽度减小，对应旋转爆震波模态的工况范围更窄，传播速度更慢。在本研究对应的工况范围内，增大燃烧室宽度，更有利于基于煤油的旋转爆震波的稳定传播。
2021, 42(4):851-864.
DOI: 10.13675/j.cnki.tjjs.200259
摘要:
对斜爆震波起爆特性及其波系结构的研究进展进行综合评述，分析其研究现状与存在的不足，总结了斜爆震波起爆和驻定特性研究进展，重点回顾了斜爆震波起爆准则和驻定条件，对斜爆震波的诱导区结构和波面胞格结构研究进行了总结，对斜劈构型对斜爆震波的影响研究现状进行了概述。综述表明，斜爆震波的起爆、驻定和波系结构还需持续开展研究，特别需要关注的是平面斜爆震波的起爆准则和驻定条件，在真实流动条件下更深入研究斜爆震波宏观结构和波面结构的形成机理，探索受限空间内斜爆震波起爆、反射和驻定特性。
对斜爆震波起爆特性及其波系结构的研究进展进行综合评述，分析其研究现状与存在的不足，总结了斜爆震波起爆和驻定特性研究进展，重点回顾了斜爆震波起爆准则和驻定条件，对斜爆震波的诱导区结构和波面胞格结构研究进行了总结，对斜劈构型对斜爆震波的影响研究现状进行了概述。综述表明，斜爆震波的起爆、驻定和波系结构还需持续开展研究，特别需要关注的是平面斜爆震波的起爆准则和驻定条件，在真实流动条件下更深入研究斜爆震波宏观结构和波面结构的形成机理，探索受限空间内斜爆震波起爆、反射和驻定特性。
2021, 42(4):865-873.
DOI: 10.13675/j.cnki.tjjs.200503
摘要:
为了研究圆盘结构下旋转爆震波传播特性，通过求解14组分19步CH4/O2反应的欧拉方程，数值模拟了不同燃料喷射温度、压力、燃烧室内外直径比值和燃烧室径向长度并分析了其对旋转爆震波传播模态的影响。研究表明，只有预混气喷射温度为500~900K，喷射压力为0.5~3.5MPa的条件下能够在固定燃烧室内形成连续的旋转爆震波。受燃烧室结构影响，旋转爆震波的传播模态分为稳定模态和非稳定模态。整个非稳定传播模态根据爆震波对前周期的干涉又可以分为干涉阶段和不干涉阶段。在不干涉阶段，爆震波传播速度略高于C-J（Chapman-Jouguet）速度；在干涉阶段，爆震波传播速度低于C-J速度且爆震波被间断面分割成两部分。非稳定模态爆震波传播速度小于稳定模态，而爆震波夹角、燃烧室出口面积比则反之。
为了研究圆盘结构下旋转爆震波传播特性，通过求解14组分19步CH4/O2反应的欧拉方程，数值模拟了不同燃料喷射温度、压力、燃烧室内外直径比值和燃烧室径向长度并分析了其对旋转爆震波传播模态的影响。研究表明，只有预混气喷射温度为500~900K，喷射压力为0.5~3.5MPa的条件下能够在固定燃烧室内形成连续的旋转爆震波。受燃烧室结构影响，旋转爆震波的传播模态分为稳定模态和非稳定模态。整个非稳定传播模态根据爆震波对前周期的干涉又可以分为干涉阶段和不干涉阶段。在不干涉阶段，爆震波传播速度略高于C-J（Chapman-Jouguet）速度；在干涉阶段，爆震波传播速度低于C-J速度且爆震波被间断面分割成两部分。非稳定模态爆震波传播速度小于稳定模态，而爆震波夹角、燃烧室出口面积比则反之。
2021, 42(4):874-882.
DOI: 10.13675/j.cnki.tjjs.200529
摘要:
为了探究连续旋转爆轰发动机环形燃烧室内煤油射流在同轴气流作用下的雾化过程，采用开源软件OpenFOAM中基于欧拉-拉格朗日方法的SprayFoam求解器对其进行数值模拟，开展了喷射角度、相邻喷嘴夹角、背压和气液速度比对雾化特性影响的研究。研究表明：SprayFoam求解器可以较好地模拟环形燃烧室内液态燃料的喷射雾化特性；随着喷射角度和背压增大，液滴雾化后的粒径逐渐减小；相邻喷嘴角度为15°时燃料雾化后的液滴分布最佳，此时液滴索特尔平均直径为85.1μm；不同气液速度比的射流末端液滴速度最终趋于一致，均约为160m/s。
为了探究连续旋转爆轰发动机环形燃烧室内煤油射流在同轴气流作用下的雾化过程，采用开源软件OpenFOAM中基于欧拉-拉格朗日方法的SprayFoam求解器对其进行数值模拟，开展了喷射角度、相邻喷嘴夹角、背压和气液速度比对雾化特性影响的研究。研究表明：SprayFoam求解器可以较好地模拟环形燃烧室内液态燃料的喷射雾化特性；随着喷射角度和背压增大，液滴雾化后的粒径逐渐减小；相邻喷嘴角度为15°时燃料雾化后的液滴分布最佳，此时液滴索特尔平均直径为85.1μm；不同气液速度比的射流末端液滴速度最终趋于一致，均约为160m/s。
2021, 42(4):883-891.
DOI: 10.13675/j.cnki.tjjs.200535
摘要:
为研究旋转爆震发动机（Rotating detonation engine，RDE）中燃料/氧化剂喷射和掺混对爆震波的影响及非预混环境下的爆震波的快速起爆与稳定传播，采用线性模型爆震发动机（Linear model detonation engine，LMDE）来简化实际燃料喷射与爆震波相互作用的物理问题。通过RNG k-ε湍流模型结合7步7组分氢气/空气机理的三维非定常反应流模拟方法，探究真实喷射条件下爆震波与混气相互作用、爆震波衰减及自持的特性。结果表明：氢气/空气的掺混均匀度至少要达到0.6才能使爆震波在非预混环境下传播；氢气孔与空气缝的入口压比需要满足爆震波进入燃烧室时，非均匀混气区恰好集中在氢气孔附近，燃料完全释放能量维持爆震波传播。
为研究旋转爆震发动机（Rotating detonation engine，RDE）中燃料/氧化剂喷射和掺混对爆震波的影响及非预混环境下的爆震波的快速起爆与稳定传播，采用线性模型爆震发动机（Linear model detonation engine，LMDE）来简化实际燃料喷射与爆震波相互作用的物理问题。通过RNG k-ε湍流模型结合7步7组分氢气/空气机理的三维非定常反应流模拟方法，探究真实喷射条件下爆震波与混气相互作用、爆震波衰减及自持的特性。结果表明：氢气/空气的掺混均匀度至少要达到0.6才能使爆震波在非预混环境下传播；氢气孔与空气缝的入口压比需要满足爆震波进入燃烧室时，非均匀混气区恰好集中在氢气孔附近，燃料完全释放能量维持爆震波传播。
2021, 42(4):892-897.
DOI: 10.13675/j.cnki.tjjs.200630
摘要:
为研究燃油初温对两相爆震性能的影响，在24mm内径爆震管中，以30~200℃的不同初温煤油为燃料，氧气为氧化剂，成功进行了10Hz的两相爆震实验。实验发现，随着燃油初温的升高，火焰锋面的稳态传播速度逐渐增大，爆震燃烧的稳定性逐渐提升，两相爆震峰值压力增大，起爆距离缩短。此外对不同燃油初温下的爆震燃烧尾焰观测表明，油温升高后，非稳态排气总压增大，发动机可获取的推力增大。
为研究燃油初温对两相爆震性能的影响，在24mm内径爆震管中，以30~200℃的不同初温煤油为燃料，氧气为氧化剂，成功进行了10Hz的两相爆震实验。实验发现，随着燃油初温的升高，火焰锋面的稳态传播速度逐渐增大，爆震燃烧的稳定性逐渐提升，两相爆震峰值压力增大，起爆距离缩短。此外对不同燃油初温下的爆震燃烧尾焰观测表明，油温升高后，非稳态排气总压增大，发动机可获取的推力增大。
2021, 42(4):898-905.
DOI: 10.13675/j.cnki.tjjs.200740
摘要:
为了获得回流型脉冲爆震燃烧室在不同工作频率下的工作特性，通过试验和数值相结合的方法对该爆震室工作频率10~30Hz时的出口燃气总压、总温、流量变化规律以及该爆震室的增压能力进行了测试与计算分析。结果表明：出口燃气总压、总温具有极高的峰值和较高的平台区，其工作频率10~30Hz时，压力平台值为0.36~0.91MPa，时均温度为710~1270K。此外，该爆震室排气流量十分集中，以10Hz为例，在一个爆震循环的16%时间内，排出了整个循环60.5%的燃气。为此对出口燃气总压进行质量加权平均，发现该爆震室的增压比随工作频率的增加而降低，在2.05~2.37。
为了获得回流型脉冲爆震燃烧室在不同工作频率下的工作特性，通过试验和数值相结合的方法对该爆震室工作频率10~30Hz时的出口燃气总压、总温、流量变化规律以及该爆震室的增压能力进行了测试与计算分析。结果表明：出口燃气总压、总温具有极高的峰值和较高的平台区，其工作频率10~30Hz时，压力平台值为0.36~0.91MPa，时均温度为710~1270K。此外，该爆震室排气流量十分集中，以10Hz为例，在一个爆震循环的16%时间内，排出了整个循环60.5%的燃气。为此对出口燃气总压进行质量加权平均，发现该爆震室的增压比随工作频率的增加而降低，在2.05~2.37。
2021, 42(4):906-914.
DOI: 10.13675/j.cnki.tjjs.200752
摘要:
为了分析液态碳氢燃料/纯净空气旋转爆震发动机从点火到旋转爆震波稳定传播过程的影响因素，采用预爆震管点火进行了相关试验研究，获得了预爆震波压力、燃烧室油气比、来流总温、点火器安装方式等对旋转爆震发动机起爆过程的影响。试验结果表明：旋转爆震波起爆时间随着预爆震波压力升高而缩短；来流总温740K，变化当量比时，越接近当量比1，旋转爆震起爆时间越短；工质为当量混气时，来流总温通过影响燃油的蒸发过程进而影响旋转起爆时间，总温673K以上时，起爆时间约10ms；预爆点火器垂直安装比切向安装更快形成旋转爆震波。
为了分析液态碳氢燃料/纯净空气旋转爆震发动机从点火到旋转爆震波稳定传播过程的影响因素，采用预爆震管点火进行了相关试验研究，获得了预爆震波压力、燃烧室油气比、来流总温、点火器安装方式等对旋转爆震发动机起爆过程的影响。试验结果表明：旋转爆震波起爆时间随着预爆震波压力升高而缩短；来流总温740K，变化当量比时，越接近当量比1，旋转爆震起爆时间越短；工质为当量混气时，来流总温通过影响燃油的蒸发过程进而影响旋转起爆时间，总温673K以上时，起爆时间约10ms；预爆点火器垂直安装比切向安装更快形成旋转爆震波。
2021, 42(4):915-922.
DOI: 10.13675/j.cnki.tjjs.200753
摘要:
为快速、短距起爆爆震波，基于H2/Air 8组分19步反应简化机理，采用两点射流点火的方法数值研究了不同射流管高度差引起的射流间隔时间对H2/Air混合物起爆特性的影响规律。采用与CEA计算结果及实验结果对比的方法验证了数值模拟的可靠性。结果表明，射流间隔时间对两点射流起爆有明显影响。一定射流间隔时间内可以成功起爆，但第一射流的衰减过程随射流间隔时间的延长而变长，不利于起爆。射流管的高度差使得射流管出口形成射流强度梯度，对射流强度的影响较小。射流管高度差ΔH的增加会加大两个射流之间的强度差，从而削弱射流相互作用。射流之间的相互作用受火焰面和压力面的共同影响，热点的形成更依赖于射流压力的相互作用。
为快速、短距起爆爆震波，基于H2/Air 8组分19步反应简化机理，采用两点射流点火的方法数值研究了不同射流管高度差引起的射流间隔时间对H2/Air混合物起爆特性的影响规律。采用与CEA计算结果及实验结果对比的方法验证了数值模拟的可靠性。结果表明，射流间隔时间对两点射流起爆有明显影响。一定射流间隔时间内可以成功起爆，但第一射流的衰减过程随射流间隔时间的延长而变长，不利于起爆。射流管的高度差使得射流管出口形成射流强度梯度，对射流强度的影响较小。射流管高度差ΔH的增加会加大两个射流之间的强度差，从而削弱射流相互作用。射流之间的相互作用受火焰面和压力面的共同影响，热点的形成更依赖于射流压力的相互作用。
2021, 42(4):923-930.
DOI: 10.13675/j.cnki.tjjs.200248
摘要:
为了解决小型涡轴发动机采用脉冲爆震燃烧室代替主燃烧室时，由于脉冲爆震燃烧室的增压作用，无法从压气机出口引气对燃气涡轮冷却、封严的问题，提出了一种带增压压气机的脉冲爆震涡轴发动机（PDTSE）构型，并建立了相应的部件特性和总体性能分析方法。对常规涡轴发动机与带增压压气机的PDTSE性能进行对比研究。计算结果表明：与常规涡轴发动机相比，带增压压气机PDTSE性能具有较大优势；在整个设计域内，在综合考虑了部件技术难度的情况下，在性能最优处，带增压压气机的PDTSE相比普通涡轴的热循环效率高15.7%，耗油率低9.5%，单位功率高26.9%。
为了解决小型涡轴发动机采用脉冲爆震燃烧室代替主燃烧室时，由于脉冲爆震燃烧室的增压作用，无法从压气机出口引气对燃气涡轮冷却、封严的问题，提出了一种带增压压气机的脉冲爆震涡轴发动机（PDTSE）构型，并建立了相应的部件特性和总体性能分析方法。对常规涡轴发动机与带增压压气机的PDTSE性能进行对比研究。计算结果表明：与常规涡轴发动机相比，带增压压气机PDTSE性能具有较大优势；在整个设计域内，在综合考虑了部件技术难度的情况下，在性能最优处，带增压压气机的PDTSE相比普通涡轴的热循环效率高15.7%，耗油率低9.5%，单位功率高26.9%。
2021, 42(4):931-940.
DOI: 10.13675/j.cnki.tjjs.200268
摘要:
为了分析旋转爆震发动机燃烧室高频超高压周向压力脉动对进气道扩张段流动特征的影响，采用三维定常/非定常数值仿真方法对旋转爆震发动机进气道扩张段流动特性开展研究。研究结果表明：受下游燃烧室旋转爆震波影响，扩张段内存在呈螺旋状向上游传播的运动激波；运动激波向上游传播过程中强度衰减、传播速度下降，激波形态由类正激波向类斜激波演化，运动激波逐步向驻激波演变，运动激波/边界层干扰诱发的回流区逐步向波前扩展，波面坐标系下波前亚声区相对厚度逐渐增大；与定常反压状态相比，旋转爆震工作状态进气道出口静温、总温较高，总压较低。
为了分析旋转爆震发动机燃烧室高频超高压周向压力脉动对进气道扩张段流动特征的影响，采用三维定常/非定常数值仿真方法对旋转爆震发动机进气道扩张段流动特性开展研究。研究结果表明：受下游燃烧室旋转爆震波影响，扩张段内存在呈螺旋状向上游传播的运动激波；运动激波向上游传播过程中强度衰减、传播速度下降，激波形态由类正激波向类斜激波演化，运动激波逐步向驻激波演变，运动激波/边界层干扰诱发的回流区逐步向波前扩展，波面坐标系下波前亚声区相对厚度逐渐增大；与定常反压状态相比，旋转爆震工作状态进气道出口静温、总温较高，总压较低。
2021, 42(4):941-949.
DOI: 10.13675/j.cnki.tjjs.200575
摘要:
针对高热流密度燃烧室壁面热防护需求，提出了一种空气阵列射流冲击和燃油冷却肋板的集成冷却方式，在射流平均雷诺数Rej为1×104~3×104，燃油进口流速vf为2.33～5.23m/s内，采用数值模拟方法对其传热特性进行了研究，并基于壁面加热侧当量对流换热系数的概念，分析了基准肋板以及燃油冷却肋板的传热增强作用。与无肋板靶面的阵列射流冲击相比，带肋板阵列射流冲击的面积平均当量对流换热系数是前者的1.6倍，压力损失系数相对提高了约25%；采用燃油冷却肋板，加热壁面综合传热能力进一步增强，在Rej=1×104时，采用燃油冷却肋板的面积平均当量对流换热系数是基准肋板的1.5倍以上，即使在Rej=3×104时，燃油冷却肋板的传热增强比也可以达到1.2；燃油冷却肋板的出口温度相对进口温度的提升在20~50K内，其提升幅度随着射流雷诺数或燃油进口流速的增大而减小。
针对高热流密度燃烧室壁面热防护需求，提出了一种空气阵列射流冲击和燃油冷却肋板的集成冷却方式，在射流平均雷诺数Rej为1×104~3×104，燃油进口流速vf为2.33～5.23m/s内，采用数值模拟方法对其传热特性进行了研究，并基于壁面加热侧当量对流换热系数的概念，分析了基准肋板以及燃油冷却肋板的传热增强作用。与无肋板靶面的阵列射流冲击相比，带肋板阵列射流冲击的面积平均当量对流换热系数是前者的1.6倍，压力损失系数相对提高了约25%；采用燃油冷却肋板，加热壁面综合传热能力进一步增强，在Rej=1×104时，采用燃油冷却肋板的面积平均当量对流换热系数是基准肋板的1.5倍以上，即使在Rej=3×104时，燃油冷却肋板的传热增强比也可以达到1.2；燃油冷却肋板的出口温度相对进口温度的提升在20~50K内，其提升幅度随着射流雷诺数或燃油进口流速的增大而减小。
2021, 42(4):950-960.
DOI: 10.13675/j.cnki.tjjs.200750
摘要:
为研究壁面温度条件对层流、转捩、湍流状态下斜爆震发动机进气道流场结构、流场参数的影响，选取Ma10级、具有曲面压缩段的斜爆震发动机进气道为研究对象进行数值模拟，对进气道壁面附近激波诱导分离区、热边界层的变化进行了深入探讨。数值模拟结果表明，进气道肩部圆弧过渡段出现的再层流化现象，壁面冷却对其起抑制作用，绝热壁面条件下再层流化程度最为严重。壁面温度的增加有利于延缓流动转捩，同时也导致了分离区尺寸的增加以及转捩、湍流状态下分离区主体位置逐渐前移，进气道内通道的转捩为分离诱导转捩，转捩位置主要受到分离点位置的影响，整体表现为壁面温度增加转捩位置前移。进气道出口顶板侧热边界层厚度随着壁面温度的增加逐渐变厚，转捩状态下热边界层厚度变化可达5%，温度峰值也随着壁面温度的增加逐渐增加，且峰值位置逐渐靠近壁面。壁面温度条件相同时，层流状态下热流、热边界层厚度均较小。转捩、湍流状态下进气道出口顶板侧热边界层较厚，约为层流状态3倍，同时转捩、湍流状态下热边界层厚度相差可达2%。
为研究壁面温度条件对层流、转捩、湍流状态下斜爆震发动机进气道流场结构、流场参数的影响，选取Ma10级、具有曲面压缩段的斜爆震发动机进气道为研究对象进行数值模拟，对进气道壁面附近激波诱导分离区、热边界层的变化进行了深入探讨。数值模拟结果表明，进气道肩部圆弧过渡段出现的再层流化现象，壁面冷却对其起抑制作用，绝热壁面条件下再层流化程度最为严重。壁面温度的增加有利于延缓流动转捩，同时也导致了分离区尺寸的增加以及转捩、湍流状态下分离区主体位置逐渐前移，进气道内通道的转捩为分离诱导转捩，转捩位置主要受到分离点位置的影响，整体表现为壁面温度增加转捩位置前移。进气道出口顶板侧热边界层厚度随着壁面温度的增加逐渐变厚，转捩状态下热边界层厚度变化可达5%，温度峰值也随着壁面温度的增加逐渐增加，且峰值位置逐渐靠近壁面。壁面温度条件相同时，层流状态下热流、热边界层厚度均较小。转捩、湍流状态下进气道出口顶板侧热边界层较厚，约为层流状态3倍，同时转捩、湍流状态下热边界层厚度相差可达2%。
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