旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性研究

苗淼，鄧博陽(yáng)，鄭洪濤

（1.海軍裝備部，西安710021；2.哈爾濱工程大學(xué)動(dòng)力與能源工程學(xué)院，哈爾濱150001）

旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性研究

苗淼1，鄧博陽(yáng)2，鄭洪濤2

（1.海軍裝備部，西安710021；2.哈爾濱工程大學(xué)動(dòng)力與能源工程學(xué)院，哈爾濱150001）

基于二維可壓歐拉方程，對(duì)充有當(dāng)量比為1的氫氣/空氣預(yù)混氣的不同結(jié)構(gòu)燃燒室進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。研究了爆轟波在不同坡度燃燒室內(nèi)的傳播過(guò)程，分析了燃燒室內(nèi)不同波頭數(shù)目對(duì)其性能的影響。研究表明：在燃燒室入口端采用適當(dāng)?shù)男ㄐ谓Y(jié)構(gòu)，有助于提高沿單一方向傳播的爆轟波的強(qiáng)度，提高燃燒室做功能力；當(dāng)燃燒室周向尺寸較大時(shí)，同時(shí)起爆雙波頭有助于提高其工作的穩(wěn)定性。

燃?xì)鉁u輪；低污染燃燒室；旋轉(zhuǎn)爆轟；障礙物；雙波頭；增壓比

1　引言

目前的燃?xì)鉁u輪裝置中，均采用等壓模式來(lái)組織燃燒。但經(jīng)過(guò)幾十年的研究和發(fā)展，采用這種燃燒方式的發(fā)動(dòng)機(jī)的效率難以再產(chǎn)生新的飛躍，而且隨著科技的進(jìn)步以及對(duì)其性能要求的逐步提高，等壓燃燒NOx排放高、火焰長(zhǎng)度長(zhǎng)以及阻力損失大等缺點(diǎn)也日益凸顯。所以，發(fā)展可增壓的低排放高效燃燒室，是解決目前問(wèn)題的一個(gè)有效途徑。與傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室相比，旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、污染小及能量轉(zhuǎn)化率高等優(yōu)點(diǎn)，受到越來(lái)越多的青睞［1］。

上世紀(jì)50年代，Voitsekhovskii等［2］就利用乙炔/氧氣的混合氣，在圓盤形實(shí)驗(yàn)裝置中成功實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)爆轟，并且利用速度補(bǔ)償?shù)挠^測(cè)方法，對(duì)爆轟波的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，分析了爆轟波在流場(chǎng)中的傳播特性。2000年，美國(guó)普惠公司［3］分別采用非預(yù)混和預(yù)混的方式，對(duì)乙炔/氧氣的旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，成功實(shí)現(xiàn)了波速為2 500 m/s的旋轉(zhuǎn)爆轟。Wolanski等［4-5］對(duì)貧燃狀態(tài)下氫氣與空氣的混合氣所引發(fā)的旋轉(zhuǎn)爆轟進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，分析了爆轟燃燒的性質(zhì)，研究了爆轟波傳播速度與采用初始條件之間的關(guān)系。Kindracki等［6-8］在長(zhǎng)1 325 mm、直徑128.5 mm的管道中，實(shí)驗(yàn)研究了點(diǎn)火位置對(duì)以甲烷/空氣為推進(jìn)劑的爆轟燃燒室特性的影響，發(fā)現(xiàn)在管道中心部位點(diǎn)火會(huì)獲得更大的爆轟壓力。Yi等［9］研究了不同形狀和尺寸尾噴管對(duì)旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)燃燒室尾噴管長(zhǎng)0.04 m、擴(kuò)張角10°時(shí)燃燒室性能最好。

隨著人們對(duì)旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)注的增加，我國(guó)也對(duì)其進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)研究。姜孝海等［10］對(duì)旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室內(nèi)從點(diǎn)火到形成穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)爆轟的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行了研究，詳細(xì)分析了爆轟波在燃燒室內(nèi)能穩(wěn)定自持傳播的關(guān)鍵原因。張旭東等［11-15］對(duì)旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室進(jìn)行了二維和三維數(shù)值研究，分析了穩(wěn)定爆轟流場(chǎng)特征，研究了爆轟波結(jié)構(gòu)及爆轟波在傳播過(guò)程中泰勒稀疏波對(duì)其波陣面的影響。周蕊等［16-17］采用追蹤粒子軌跡的方法，對(duì)旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室的熱力學(xué)循環(huán)過(guò)程進(jìn)行了研究，其計(jì)算結(jié)果與理想的ZND模型吻合良好，熱力學(xué)循環(huán)熱效率為35.41%。邵業(yè)濤等［18-20］采用兩步化學(xué)反應(yīng)模型，對(duì)連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了燃料入射速度對(duì)爆轟波傳播過(guò)程的影響，表明當(dāng)燃燒室入口處的噴射速度超過(guò)C-J速度時(shí)，旋轉(zhuǎn)爆轟流場(chǎng)中的爆轟波呈現(xiàn)出駐定狀態(tài)。隨后，考慮到在同軸圓管內(nèi)產(chǎn)生爆轟波時(shí)內(nèi)部的散熱問(wèn)題，提出了無(wú)內(nèi)柱的連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室模型，并對(duì)爆轟燃燒室出口處采用不同尾噴管的情況進(jìn)行了研究，表明加裝拉瓦爾噴管時(shí)燃燒室的工作性能最好。

總體而言，國(guó)內(nèi)外對(duì)旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室的研究，主要集中在爆轟波的形成過(guò)程及流場(chǎng)結(jié)構(gòu)等方面，對(duì)燃燒室的結(jié)構(gòu)及其工作過(guò)程的穩(wěn)定性還鮮有研究。基于目前的研究現(xiàn)狀，本文通過(guò)數(shù)值模擬方法，將燃燒室入口端設(shè)計(jì)為楔形結(jié)構(gòu)，研究了爆轟波在不同坡度燃燒室內(nèi)的傳播過(guò)程，并分析了波頭數(shù)目對(duì)其工作穩(wěn)定性的影響，可為充分利用旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室的優(yōu)勢(shì)提供一定數(shù)據(jù)支持。

2　物理模型與計(jì)算方法

2.1物理模型

連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室為柱狀環(huán)筒形燃燒室，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。燃料經(jīng)噴射孔進(jìn)入燃燒室內(nèi)，經(jīng)高能量點(diǎn)火后，會(huì)產(chǎn)生沿圓環(huán)方向的爆轟波，并能實(shí)現(xiàn)繞軸方向的連續(xù)旋轉(zhuǎn)傳播。圖2為爆轟波在爆轟燃燒室內(nèi)的三維傳播示意圖，圖中6示出了爆轟波的傳播方向。爆轟波掃過(guò)的區(qū)域壓力會(huì)有所降低，當(dāng)其壓力低于噴注壓力時(shí)，可燃預(yù)混氣就會(huì)進(jìn)入燃燒室內(nèi)，以維持爆轟波的穩(wěn)定連續(xù)傳播。

圖1　旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室三維結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The 3D structure of a rotating detonation combustor

圖2　爆轟波的三維傳播示意圖Fig.2 The 3D propagation process of detonation wave

在一定條件下，與燃燒室直徑相比，燃燒室厚度相對(duì)較小，所以可將其沿母線展開(kāi)，形成如圖3所示的計(jì)算域。其中，圖3（a）為典型無(wú)障礙爆轟燃燒室的二維周向展開(kāi)圖，圖3（b）為本文所采用的楔形爆轟燃燒室的周向展開(kāi)圖。

2.2計(jì)算方法及邊界條件

基于理想氣體假設(shè)，所選取的反應(yīng)物為氫氣/空氣按化學(xué)當(dāng)量比進(jìn)行預(yù)混的混合氣，采用顯式格式求解二維歐拉控制方程，忽略粘性、熱傳導(dǎo)和擴(kuò)散等輸運(yùn)效應(yīng)。化學(xué)反應(yīng)模型為有限速率模型，反應(yīng)速率常數(shù)采用Arrhenius公式計(jì)算。計(jì)算域內(nèi)所采用的邊界條件見(jiàn)表1。

2.3模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型的可靠性，將本文計(jì)算所得結(jié)果與文獻(xiàn)中數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析。圖4（a）和圖4（b）分別為計(jì)算獲得的溫度場(chǎng)分布圖、Douglas數(shù)值模擬中得到的旋轉(zhuǎn)爆轟波基本結(jié)構(gòu)，對(duì)比分析可發(fā)現(xiàn)二者吻合較好，能清晰觀察到爆轟波后的胞格結(jié)構(gòu)，K-H不穩(wěn)定波（圖4（b）中C處）也清晰可見(jiàn)，并且該結(jié)果與圖4（c）中Bykovskii通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)定性一致，說(shuō)明計(jì)算方法可靠。

表2給出了數(shù)值模擬得到的爆轟波的計(jì)算值，和利用CEA軟件計(jì)算的同等條件下的爆轟波的理論值。可見(jiàn)，計(jì)算的傳播速度比理論上的C-J速度小，其主要原因是燃燒室內(nèi)旋轉(zhuǎn)爆轟波的非受限特性。總體上講，計(jì)算值與理論值吻合良好，驗(yàn)證了此數(shù)學(xué)模型的可靠性。

圖3　計(jì)算域示意圖Fig.3 Computational domain

表1　計(jì)算域內(nèi)各邊的邊界條件Table 1 The boundary conditions in the computational domain

圖4　達(dá)到穩(wěn)定爆轟時(shí)的溫度分布云圖Fig.4 Temperature contours at steady detonation state

表2　計(jì)算值與理論值的對(duì)比Table 2 The contrast between computation results and theoretical results

圖5　楔形燃燒室內(nèi)爆轟波傳播一個(gè)周期的壓力云圖Fig.5 Pressure contours of wedge shape combustor at a period

3　性能分析

3.1楔形燃燒室流場(chǎng)分析

圖5為在楔形爆轟燃燒室內(nèi)，爆轟波傳播一個(gè)周期過(guò)程中的壓力變化云圖。可見(jiàn)，此時(shí)的燃燒室內(nèi)爆轟波基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，爆轟波陣面的壓力峰值為6.38 MPa，爆轟波在傳播過(guò)程中與入口端的傾斜角并不固定。如圖中所示，爆轟波在t=T0和t= T0+T/2時(shí)的傾斜角，明顯比t=T0+T/4和t=T0+3T/4時(shí)的大。這主要是因?yàn)楸Z波分別經(jīng)過(guò)x=0和x=0.15位置時(shí)，燃燒室入口邊界處存在著一個(gè)凸變，注入的燃料也會(huì)在這兩個(gè)位置處產(chǎn)生一定間斷，所以遠(yuǎn)離燃燒室入口端的爆轟波會(huì)因燃料供應(yīng)不足而逐漸減弱；同時(shí)，爆轟波經(jīng)過(guò)這兩個(gè)位置時(shí)，也會(huì)先將遠(yuǎn)離燃燒室入口的燃料燒掉，所以爆轟波與入口邊界的傾斜角會(huì)有所加大。隨著爆轟波的傳播，靠近燃燒室入口處的燃料供給充足，爆轟波的傳播又會(huì)逐漸趨于平穩(wěn)，其與燃燒室入口邊界之間的夾角也逐漸減小，最終呈現(xiàn)出t=T0+T/4和t=T0+ 3T/4時(shí)的變化趨勢(shì)。此外，靠近燃燒室入口處爆轟波的壓力明顯比遠(yuǎn)離燃燒室入口處的壓力大，這主要是因?yàn)樵谌紵胰肟诙吮Z波受到了較大的壁面壓縮作用。

圖6為楔形燃燒室內(nèi)基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)、爆轟波傳播到550 μs時(shí)，燃燒室內(nèi)的溫度、組分、密度及速度分布云圖。從計(jì)算結(jié)果可知，此時(shí)爆轟波陣面處的溫度峰值達(dá)3 270 K，密度峰值達(dá)6.47 kg/m3，速度峰值達(dá)1 720 m/s。從圖中可看出，此時(shí)燃燒室內(nèi)大部分入口端面上的壓力都要小于噴注壓力，從而使氣流能源源不斷地進(jìn)入到燃燒室內(nèi)，也更加有力地保證了爆轟波在燃燒室內(nèi)的穩(wěn)定傳播。在x= 0.15 m處，因?yàn)楸诿娴某霈F(xiàn)，使得燃燒室內(nèi)的氣體供應(yīng)區(qū)變得不再規(guī)整和圓滑，從而導(dǎo)致燃燒室內(nèi)氣體的溫度、密度及速度都出現(xiàn)了一定間斷。但總體來(lái)看，這并不影響爆轟波在燃燒室內(nèi)的傳播。所以爆轟波能在楔形燃燒室內(nèi)穩(wěn)定傳播，并圍繞其壁面作連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

圖6　楔形燃燒室達(dá)到穩(wěn)定后的云圖分布Fig.6 The contours of wedge shape combustor at steady state

圖7　不同坡度下的壓力云圖Fig.7 Pressure contours with different slope entrances

圖8　不同坡度下的溫度云圖Fig.8 Temperature contours with different slope entrances

3.2入口端坡度對(duì)燃燒室性能的影響

圖7和圖8分別為在不同坡度下燃燒室內(nèi)爆轟波傳播穩(wěn)定時(shí)，燃燒室內(nèi)的壓力和溫度分布云圖。可見(jiàn)，隨著燃燒室入口端坡度的逐漸增加，爆轟波強(qiáng)度逐漸增加，在燃燒室入口端尤為明顯。這主要是因?yàn)殡S著燃燒室入口端坡度的增加，爆轟波受到壁面的壓縮作用也逐漸增強(qiáng)，使得燃燒室入口端爆轟波的壓力明顯大于遠(yuǎn)離入口端爆轟波的壓力。隨著燃燒室入口端坡度的逐漸增加，燃燒室內(nèi)新充入的預(yù)混氣的區(qū)域變得不再規(guī)整，爆轟波后方斜激波所出現(xiàn)的區(qū)域也隨著燃燒室入口端坡度的增加而變大且變得不太規(guī)整，楔形燃燒室內(nèi)爆轟波后方出現(xiàn)的泰勒稀疏波的分布并不均勻，燃燒室入口處爆轟波的溫度明顯高于遠(yuǎn)離入口處爆轟波的溫度。這是因?yàn)樾ㄐ稳紵覂?nèi)入口端面處爆轟波的強(qiáng)度較大，以及爆轟波后方的爆轟產(chǎn)物會(huì)受到燃燒室入口端坡度的擾動(dòng)作用。當(dāng)燃燒室中間壁面高度達(dá)20 mm時(shí)，可看出此時(shí)燃燒室內(nèi)的爆轟波雖然還可進(jìn)行周期性連續(xù)旋轉(zhuǎn)傳播，但所形成的進(jìn)氣區(qū)域變得極不規(guī)整，爆轟波在燃燒室內(nèi)的工作也變得不夠穩(wěn)定。下面以前三種相對(duì)較為穩(wěn)定的情況進(jìn)行分析。

表3給出了計(jì)算邊界條件相同時(shí)幾種坡度下燃燒室內(nèi)性能參數(shù)的變化。可見(jiàn)，當(dāng)燃燒室內(nèi)所采用的中間壁面高度不大于15 mm時(shí)，隨著燃燒室入口端坡度的逐漸增加，爆轟波的傳播速度及其最大峰值壓力與坡度呈正比，而入口平均質(zhì)量流量與坡度呈反比。隨著燃燒室入口端坡度的增加，燃燒室出口平均總壓也逐漸增加，從而造成其增壓比逐漸增加。為探究其原因，對(duì)不同坡度下燃燒室入口截面處的壓力進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明，三種情況下，燃燒室入口截面處的平均總壓分別為398 946 Pa、399 455 Pa、399 929 Pa。可見(jiàn)在一定范圍內(nèi)，隨著燃燒室入口端坡度的提高，其入口截面處的平均總壓逐漸增加，雖然這種變化并不顯著，但是爆轟燃燒室具有增壓特性，最終造成出口平均總壓會(huì)有較大的增加和變化。當(dāng)燃燒室中間壁面高度達(dá)到20 mm時(shí)，爆轟波在燃燒室的工作過(guò)程變得不夠穩(wěn)定，從而導(dǎo)致其傳播速度及做功能力等都出現(xiàn)了大幅衰減；直到中間壁面高度達(dá)到25 mm時(shí)，燃燒室內(nèi)不再形成進(jìn)行穩(wěn)定工作的爆轟波。所以，在一定范圍內(nèi)，適當(dāng)增加燃燒室入口端坡度，有助于提高其做功能力。

圖9　不同周向長(zhǎng)度無(wú)障礙爆轟燃燒室內(nèi)爆轟波波頭高度和入口質(zhì)量流量隨時(shí)間的變化Fig.9 The variation of detonation wave height and mass rate at entrance with time in detonation combustor with different circumferential length

表3　不同坡度下燃燒室內(nèi)性能參數(shù)的變化Table 3 The performance characteristics of combustor with different slope entrance

3.3雙波頭特性研究

3.3.1爆轟波波頭高度分析

研究發(fā)現(xiàn)，爆轟波在燃燒室內(nèi)傳播過(guò)程中，其波頭高度呈現(xiàn)出一定的周期性變化。圖9給出了不同周向長(zhǎng)度無(wú)障礙爆轟燃燒室兩個(gè)周期內(nèi)爆轟波波頭高度和入口質(zhì)量流量隨時(shí)間的變化。可見(jiàn)，周向長(zhǎng)度為100 mm時(shí)，爆轟波在傳播過(guò)程中，其波頭高度的最大值為13.41 mm，最小值為3.96 mm，即使在一個(gè)周期內(nèi)波頭高度也出現(xiàn)了很多波動(dòng)。根據(jù)前人總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室周向長(zhǎng)度較大時(shí)，爆轟波前方會(huì)充入更多的可燃預(yù)混氣，從而提高其做功能力。但燃燒室直徑的增大，會(huì)使得爆轟波在燃燒室內(nèi)的傳播變得極為不穩(wěn)定，最主要的表現(xiàn)就是爆轟波波頭高度的變化。

周向長(zhǎng)度為300 mm時(shí)，爆轟波在傳播過(guò)程中，波頭高度呈現(xiàn)出較為明顯的周期性變化，其最大值為47.66 mm，最小值為8.62 mm，其變化范圍之大顯現(xiàn)出爆轟波在燃燒室內(nèi)傳播過(guò)程中的較大波動(dòng)性。與周向長(zhǎng)度為100 mm時(shí)相比，爆轟波波頭高度的變化頻率有所降低，其最大值和最小值都有所增加，但最大值增加的幅度明顯比最小值增加的幅度大。從圖9中可以看出，燃燒室入口處的質(zhì)量流量與爆轟波波頭高度呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，但入口質(zhì)量流量的變化明顯比爆轟波波頭高度的變化提前。這主要是因?yàn)橹暗娜肟谫|(zhì)量流量變化，導(dǎo)致了燃燒室內(nèi)新鮮預(yù)混氣的三角形進(jìn)氣區(qū)域變化，在維持爆轟波穩(wěn)定傳播的情況下，也使后傳來(lái)的爆轟波波頭高度發(fā)生了變化。

3.3.2雙波頭燃燒室流場(chǎng)分析

針對(duì)燃燒室內(nèi)爆轟波出現(xiàn)的不穩(wěn)定現(xiàn)象，在燃燒室內(nèi)采用雙波頭起爆的方式進(jìn)行研究。當(dāng)在典型無(wú)障礙旋轉(zhuǎn)燃燒室內(nèi)同時(shí)起爆兩股爆轟波后，爆轟波傳播穩(wěn)定時(shí)，燃燒室內(nèi)一個(gè)周期內(nèi)的溫度云圖如圖10所示。從圖中可以看出，燃燒室內(nèi)所獲得的兩股爆轟波的結(jié)構(gòu)基本相同，爆轟波及其后方斜激波處的溫度達(dá)到3 200 K左右，不同時(shí)刻兩股爆轟波之間的距離基本保持不變，說(shuō)明兩股爆轟波的傳播速度基本相同。此時(shí)燃燒室內(nèi)可非常清晰地看到兩個(gè)規(guī)整的三角形進(jìn)氣區(qū)域，從而有效保證了爆轟波在燃燒室內(nèi)的穩(wěn)定傳播。與之前在燃燒室內(nèi)進(jìn)行的單波頭的情況相比，顯然在爆轟波的傳播過(guò)程中，爆轟波高度并未出現(xiàn)較大波動(dòng)。所以當(dāng)通過(guò)增加旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室周向尺寸來(lái)提高其增壓比時(shí)，可以考慮在爆轟燃燒室內(nèi)同時(shí)起爆雙波頭甚至多波頭來(lái)維持其穩(wěn)定。

圖10　雙波頭起爆后流場(chǎng)穩(wěn)定后的溫度云圖Fig.10 Temperature contours

圖11　無(wú)障礙爆轟燃燒室內(nèi)入口質(zhì)量流量和出口平均總壓隨時(shí)間的變化Fig.11 The variation of mass rate at entrance and mean total pressure at exit with time in detonation combustor

為充分研究燃燒室內(nèi)爆轟波波頭數(shù)目對(duì)其性能的影響，分別在無(wú)障礙爆轟燃燒室內(nèi)和楔形爆轟燃燒室內(nèi)進(jìn)行計(jì)算研究。圖11為在無(wú)障礙旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室內(nèi)分別起爆一股爆轟波和兩股爆轟波時(shí)，燃燒室內(nèi)入口質(zhì)量流量和出口平均總壓隨時(shí)間的變化。從圖11（a）可看出，爆轟波在燃燒室內(nèi)穩(wěn)定傳播時(shí)，其入口處的平均質(zhì)量流量也呈現(xiàn)出周期性變化；相對(duì)于起爆一股爆轟波，起爆兩股爆轟波時(shí)變化趨勢(shì)在逐漸減弱，每個(gè)周期內(nèi)入口處最大質(zhì)量流量和最小質(zhì)量流量的差值也在逐漸減小。起爆一股爆轟波時(shí)，燃燒室入口處的最大平均質(zhì)量流量為171.13kg/s，最小平均質(zhì)量流量為54.27 kg/s，波動(dòng)性很大；同時(shí)起爆兩股爆轟波時(shí)，燃燒室入口處的最大平均質(zhì)量流量為156.73 kg/s，最小平均質(zhì)量流量為74.87 kg/s，其波動(dòng)性有所減弱。

從圖11（b）可以看出，分別起爆一股爆轟波和兩股爆轟波時(shí)，出口最大平均總壓分別為1.67 MPa和1.19 MPa，最小平均總壓分別為0.50 MPa和0.54 MPa。起爆一股爆轟波時(shí)，出口平均總壓波動(dòng)較大；起爆兩股爆轟波時(shí)，出口平均總壓也呈現(xiàn)出周期性變化，但隨著爆轟波的穩(wěn)定傳播，其出口平均總壓波動(dòng)逐漸減小，最終將近趨于平穩(wěn)。所以燃燒室內(nèi)爆轟波波頭數(shù)目會(huì)影響爆轟波傳播的穩(wěn)定性。為提高燃燒室增壓比而采用較大周向尺寸的燃燒室時(shí)，可考慮在燃燒室內(nèi)起爆雙波頭甚至多波頭來(lái)維持爆轟波的穩(wěn)定傳播。

通過(guò)前文研究可知，楔形燃燒室具有比典型無(wú)障礙旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室更高的做功能力，在楔形燃燒室內(nèi)同時(shí)起爆一股爆轟波和兩股爆轟波必將對(duì)其性能產(chǎn)生一定影響。下面通過(guò)在楔形燃燒室內(nèi)壁面處分別起爆一股和兩股爆轟波，來(lái)分析波頭數(shù)目對(duì)楔形旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室性能的影響。

圖12（a）為不同波頭數(shù)目下燃燒室內(nèi)入口質(zhì)量流量隨時(shí)間的變化。可見(jiàn)，在燃燒室內(nèi)分別起爆一股和兩股爆轟波時(shí)，燃燒室入口處的最大質(zhì)量流量分別為155.96 kg/s和144.88 kg/s，最小質(zhì)量流量分別為97.17 kg/s和97.15 kg/s。起爆一股爆轟波時(shí)，燃燒室入口質(zhì)量流量呈現(xiàn)出一定的周期性變化，且波動(dòng)性很大。起爆兩股爆轟波時(shí)，入口質(zhì)量流量變化規(guī)律較為穩(wěn)定。

圖12（b）為不同波頭數(shù)目下燃燒室出口平均總壓隨時(shí)間的變化。可見(jiàn)，燃燒室出口平均總壓隨時(shí)間也呈現(xiàn)出一定的周期性變化。起爆一股爆轟波時(shí)，燃燒室出口的最大平均總壓為1.55 MPa，最小平均總壓為0.64 MPa；起爆兩股爆轟波時(shí)，出口最大平均總壓為1.16 MPa，最小平均總壓為0.45 MPa。顯然，起爆兩股爆轟波時(shí)燃燒室出口平均總壓更小，波動(dòng)范圍也更小，且其變化也較為穩(wěn)定。所以，當(dāng)楔形旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室尺寸較大時(shí)，同時(shí)起爆兩股爆轟波甚至多股爆轟波，也有助于提高爆轟波傳播過(guò)程的穩(wěn)定性。

圖12　楔形燃燒室內(nèi)入口質(zhì)量流量和出口平均總壓隨時(shí)間的變化Fig.12 The variation of mass rate at entrance and mean total pressure at exit with time in wedge shape combustor

表4　不同燃燒室內(nèi)波頭數(shù)目對(duì)其性能的影響Table 4 The effect of detonation wave number on the performance in different combustors

表4為分別在無(wú)障礙旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室和楔形燃燒室內(nèi)起爆一股和兩股爆轟波后其性能參數(shù)的變化。可見(jiàn)，無(wú)論是在何種結(jié)構(gòu)的燃燒室內(nèi)，相比于起爆一股爆轟波，起爆兩股爆轟波時(shí)爆轟波的傳播速度、最大峰值壓力、入口平均總壓及增壓比都有所降低。主要是因?yàn)椋?dāng)在燃燒室內(nèi)起爆兩股爆轟波達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，燃燒室內(nèi)形成的爆轟波高度會(huì)有所降低，而爆轟波后方的斜激波會(huì)變長(zhǎng)，其強(qiáng)度也逐漸增加，爆轟燃燒后所產(chǎn)生的氣流在經(jīng)過(guò)斜激波時(shí)會(huì)有一定的熵增，從而造成一定的壓力損失，而斜激波越長(zhǎng)這種損失越明顯，所以其出口總壓也會(huì)有所降低，最終造成增壓比也會(huì)有所降低。

4　結(jié)論

（1）將爆轟燃燒室入口邊界設(shè)置為楔形結(jié)構(gòu)，有助于提高沿單一方向傳播的爆轟波的強(qiáng)度；在一定范圍內(nèi)，楔形燃燒室內(nèi)爆轟波的傳播速度及燃燒室的增壓比，都要比典型的無(wú)障礙爆轟燃燒室有所提高。在爆轟燃燒室入口邊界處采用適當(dāng)?shù)男ㄐ谓Y(jié)構(gòu)，有助于提高其做功能力。

（2）在爆轟波的傳播過(guò)程中，波頭高度呈現(xiàn)周期性變化；隨著燃燒室周向尺寸的增加，爆轟波波頭高度的震蕩范圍減小；爆轟波波頭高度變化與燃燒室入口質(zhì)量流量變化趨勢(shì)相同。

（3）當(dāng)為提高爆轟燃燒室的增壓特性而采用周向尺寸較大的燃燒室時(shí)，可以考慮在燃燒室內(nèi)同時(shí)起爆兩股甚至多股爆轟波來(lái)維持其穩(wěn)定工作。但起爆兩股爆轟波時(shí)燃燒室內(nèi)的壓力損失會(huì)有所增加，從而使得爆轟燃燒室的增壓要比起爆一股爆轟波時(shí)有所降低。

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Research on the structure and stability of rotating detonation combustor

MIAO Miao1，DENG Bo-yang2，ZHENG Hong-tao2
（1.Naval Equipment Department，Xi’an 710021，China；2.College of Power and Energy Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

Based on the two dimensional compressible Euler Equation，the numerical simulation on combustor with different structures was carried out.The fuel in the combustor was H2/air premixed gas and the equivalent ratio was 1.The propagation process of detonation wave in combustor with different slope entrances was studied，and the effect of different wave numbers on the combustor performance was analyzed. The results show that the appropriate slope for the combustor entrance can increase the intensity of the detonation wave which propagates along a single direction，and increase the working capacity of combustor.Initiating double detonation wave at the same time can improve the working stability of combustor when its circumferential size is lager.

gas turbine；low emission combustor；rotating detonation；obstacles；double detonation wave；pressure ratio

V231.3

A

1672-2620（2015）05-0006-08

2015-05-15

苗淼（1985-），女，陜西橫山人，工程師，碩士，主要從事燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)研究工作。