气液两相旋转爆震波建立与传播模态研究

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旋转爆震发动机(Rotating Detonation Engine,简称RDE)具有放热快、热循环效率高、结构简单等特点,近些年得到了广泛关注。考虑液态燃料的工程应用价值,本文以汽油为燃料,空气为氧化剂,开展吸气式气液两相RDE的试验和数值模拟研究,分析了气液两相旋转爆震波的起爆、传播特性、流场结构及其主要影响因素,主要结论如下:通过试验研究实现了气液两相旋转爆震波的建立和稳定传播。分析了两相RDE的工作过程和旋转爆震波的建立过程及其主要影响因素,发现预爆震管出口内径对旋转爆震波建立时间的影响要高于预爆震管内爆震波峰值压力的影响,出口内径越大,旋转爆震波的建立时间越短,并发现燃烧室内的旋转爆震波对预爆震管内气体存在周期性的抽吸现象。试验分析了当量比、空气喷注总温、空气喷注环缝以及喷管等对气液两相旋转爆震波传播的影响,试验中旋转爆震波能在较宽的当量比范围内(0.57-1.08)稳定传播,旋转爆震波的传播模态以单波为主,在空气喷注环缝宽度3 mm下燃烧室出现了声学耦合现象,在所研究的温度范围内,两相旋转爆震波的传播速度随空气总温的提高而增加。发动机加装收敛喷管后能改善爆震波的传播状态。通过数值模拟分析了非均匀喷注条件下两相旋转爆震波的传播过程及流场结构,研究了空气总温、燃料喷注不均匀性、当量比、质量流率、爆震波波头数等对流场及爆震波参数的影响,并分析了空气喷注总温、辛烷射流间距、爆震波波头数等对燃烧室出口总压和总温均匀性的影响规律。数值模拟发现燃烧室中存在不参与爆震燃烧的低当量比反应物混合区,并在滑移线附近形成一处低温区,该低温区为流场中马赫数和总压的峰值区;相同当量比条件下,辛烷射流间距越大,爆震波受燃料射流的扰动越明显;提高空气喷注总温或增加爆震波波头数,燃烧室出口总温和总压的均匀性均改善,减小辛烷射流间距,燃烧室出口总温均匀性提高,但总压均匀性降低。试验和数值模拟均发现,爆震波传播速度随空气总温的提高而增加。这些研究成果可为RDE的工程应用提供参考。
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