連續旋轉爆震波傳播模態試驗*

王 超，劉衛東，劉世杰，林志勇，蔣露欣

連續旋轉爆震波傳播模態試驗*

王 超，劉衛東，劉世杰，林志勇，蔣露欣

(國防科技大學 高超聲速沖壓發動機技術重點實驗室， 湖南 長沙 410073)

通過保持空氣流量不變、改變H2/air當量比開展了連續旋轉爆震對比試驗，發現隨當量比的降低出現三種傳播模態：在較高的當量比(0.90～1.86)下，連續旋轉爆震波以同向傳播模態傳播；在較低的當量比(≈0.75)下，則以雙波對撞模態傳播；在中間工況，則以上述混合模態維持傳播。分析了不同傳播模態下的高頻壓力特征，并初步分析了傳播模態的轉換機制：當量比較高時，爆震強度較高，傳播過程中的損失和速度虧損相對較小，爆震波以同向傳播模態維持傳播；當量比較低時，爆震強度較低，傳播過程中的損失和速度虧損較大，此時無法維持同向傳播模態，而以雙波對撞模態傳播，這是由于雙波對撞模態中的激波對撞產生高溫環境，有利于燃燒放熱，其可能是連續旋轉爆震的極限傳播模態。

連續旋轉爆震；同向傳播模態；雙波對撞模態；速度虧損；模態轉換

(ScienceandTechnologyonScramjetLaboratory,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,China)

連續旋轉爆震(ContinuousRotatingDetonation,CRD)既有爆震燃燒本身放熱速率快、熱效率高的優點，又有工作頻率高、產生推力穩定的特點，并有利于發動機結構簡單緊湊。連續旋轉爆震發動機通常采用環形燃燒室，噴注的推進劑在燃燒室入口形成可燃混合氣，起爆后形成連續旋轉爆震波沿圓周方向傳播，爆震燃燒的高溫高壓產物向燃燒室出口膨脹加速產生推力[1]。

經過半個世紀的研究，對連續旋轉爆震流場的普遍認識為：連續旋轉爆震波在環形燃燒室內高速傳播，爆震波后高溫高壓的燃燒產物使得爆震波后推進劑的噴注過程受阻，隨著與爆震波間周向距離的增加，推進劑的噴注過程開始恢復，為下一個周期爆震波的傳播創造條件。爆震波前可燃混合氣的填充、累積和爆震波的傳播都是動態過程，在爆震燃燒消耗和動態填充累積的共同作用下，爆震波頭所在位置的可燃混合氣高度達到最大，形成三角形的可燃混合氣累積區[2-6]。

目前，大多數試驗[2, 7]和數值計算[3, 6-12]的結果發現，在同一時刻，環形燃燒室中的連續旋轉爆震波的傳播方向相同，即同向傳播模態[13]，爆震波頭個數則與流量等有關。

當試驗工況發生改變時，爆震波的傳播特征會有所變化。Bykovskii等[2]開展了大量H2/air推進劑組合的連續旋轉爆震試驗，試驗結果表明，爆震波頭個數隨著推進劑流量的增加而逐漸增加。劉世杰等[13]在大工況范圍內開展了H2/air連續旋轉爆震試驗，試驗發現同向傳播模態下有三種傳播形式：單波(單個爆震波頭)、雙波(兩個爆震波頭)、混合單波/雙波，爆震波頭個數隨推進劑流量的增加而增加。Dyer等[14]在以H2/air為燃料的連續旋轉爆震試驗中發現，隨著推進劑流量、當量比和燃燒室壓力的改變，爆震波可能以單波、雙波的同向傳播模態，以及單波/雙波/多個波頭的混合模態傳播，且波頭個數隨流量增加而增加。Suchocki等[15]在以H2/air(富氧)推進劑組合的連續旋轉爆震試驗中發現，給定當量比時，隨著空氣流量的增加，爆震波傳播過程中波頭個數由單波逐漸變化為混合單波/雙波和雙波。

上述研究中，爆震波均以同向模態傳播。試驗結果表明，連續旋轉爆震還有一種不太常見的傳播模態——雙波對撞傳播模態。劉世杰等[16]在兩種噴注方式的連續旋轉爆震試驗中發現了兩個反向傳播的爆震波在燃燒室內周期性的對撞現象，且該傳播過程可長時間穩定維持。Suchocki等[15]在H2/air推進劑組合的連續旋轉爆震試驗中觀測到了兩個沿相反方向傳播并發生對撞的爆震波，但該現象不能長時間維持。鄭權等[17]在H2/air連續旋轉爆震試驗中也發現了短暫的對撞傳播現象。

1 實驗系統介紹

在燃燒室外壁面布置了五個高頻壓力傳感器PCB測點1～5，其中PCB傳感器測點1～4共軸、相鄰測點間隔15mm，PCB測點5與測點3軸向位置相同，但圓周方向間隔45°，PCB1與燃料噴注位置軸向間距40mm。PCB測點1～4均位于面積擴張型面上，其中3～4位置基本接近于等直段。燃燒室構型與傳感器的布置如圖1所示。PCB傳感器型號為113B24，其頻響大于500kHz，精度為0.035kPa，壓力上升時間小于1.0μs。

圖1 爆震燃燒室構型Fig.1 Schematic configuration of detonation combustor

表1 試驗工況與結果

2 傳播特性分析

2.1 同向傳播模態

以#6次試驗為例分析同向傳播模態。#6次試驗布置的PCB測點為1，3，5，其中PCB3、PCB5圓周方向間隔45°。圖2(a)為試驗過程中的高頻壓力，圖2(b)為局部放大圖，如圖所示，壓力峰值達到了1MPa，壓力序列a1、a2、a3表示爆震波傳播經過PCB5，而壓力序列b1、b2、b3則表示爆震波傳播經過PCB3，均呈現出較為規律的周期性。壓力序列a與序列b呈現出間隔交替出現的整體分布特點，即a1—b1—a2—b2—…。整個試驗過程中，高頻壓力特征均與圖2(b)類似。由于a1—b1表示傳播方向為PCB5→PCB3，因此試驗中爆震波始終保持該傳播方向不變。

(a)高頻壓力整體視圖(a) Global view of high-frequency pressure

(b)高頻壓力局部視圖(b) Local view of high-frequency pressure

(c)連續旋轉爆震波傳播頻率分布(c) Propagation frequency distribution of CRD wave

(d)高頻壓力FFT結果(d) FFT result of high-frequency pressure圖2 #6次試驗高頻壓力分析結果Fig.2 High-frequency pressure result of test #6

(1)

式中，Do為燃燒室外徑。則#6次試驗中爆震波的傳播速度約為1517m/s。

#7～#10次試驗中，爆震波也均以穩定的同向傳播模態傳播，高頻壓力特征與#6次試驗類似，其傳播速度見表1。

2.2 雙波對撞傳播模態

#1次試驗布置的PCB測點為1，2，3。圖3(a)為PCB3處的高頻壓力局部放大圖，如圖，高頻壓力呈現出較為規律的周期性，且有兩個大小不同的壓力峰值序列A、B，此特點明顯不同于同向傳播模態。兩個峰值序列各自的周期間隔一致，但兩個峰值之間的時間間隔：A1—B1與B1—A2不同。PCB1和PCB2處的波形特征類似于PCB3。研究表明[16]，上述壓力信號特征屬于另一種傳播模態——雙波對撞傳播模態。

(a)高頻壓力局部視圖 (a) Local view of high-frequency pressure

(b)雙波對撞傳播過程示意圖(b) Schematic diagram of TWCPM

(c)連續旋轉爆震波傳播頻率分布(c) Propagation frequency distribution of CRD wave圖3 #1次試驗高頻壓力分析結果Fig.3 High-frequency pressure result of test #1

圖3(b)為雙波對撞傳播模態示意圖：燃燒室中存在兩個反向傳播的爆震波M、N，其周期性發生對撞。爆震波M、N在P點對撞后分別形成透射激波m、n沿原來爆震波的傳播方向繼續傳播，并誘導可燃混合氣逐漸發展成為新的爆震波M′、N′在P′點對撞，P和P′通常對稱。爆震波M′、N′對撞后形成的透射激波m′、n′又發展成為新的爆震波M、N在P點對撞，循環往復。

1.社會風氣的負面影響。建立社會主義市場經濟體制是一場深刻的社會變革，也難免會出現這樣那樣的問題。社會上各種不良風氣的影響，奉獻社會的人有時得不到應有的尊重和報答，這對生活在當今社會中的大學生來說，產生一種負面的影響，擾亂了他們的思緒，影響了他們對事物的判斷力。大學生被當前社會的一些不良的社會風氣比如非正當經濟行為，見利忘義的個人主義和拜金主義的錯誤思想所蒙蔽，這對其在思想和行為上產生了不良的反應。

根據圖3(b)，當對撞點P遠離布置在D處的傳感器時，由透射激波n誘導生成爆震波N′傳播至D的距離PD更遠，發展更充分，爆震波的強度較大，壓力峰值也較高(如A1)；而爆震波對撞后的透射激波m′傳播至D的距離P′D更近，尚未充分發展為爆震波，強度也更小，故壓力峰值也更低(如B1)。由于P′D的距離較小，對應的壓力峰值時間間隔也較短，如圖3(a)中的A1—B1。

根據雙波對撞傳播模態下高頻壓力的周期性特征計算了爆震波的傳播頻率，計算方法如圖3(a)，940～1100ms時間段內的爆震波傳播頻率分布如圖3(c)。如圖，爆震波的傳播頻率變化范圍為3.32～3.94kHz，平均傳播頻率為3.67kHz，而FFT結果的主頻為3.68kHz，兩種方法的結果吻合較好。

#2與#3次試驗均以穩定的雙波對撞傳播模態傳播，高頻壓力特征與#1次試驗類似，不再贅述。

2.3 混合傳播模態

#4次試驗布置的PCB測點為1，3，5。與#1、#6次試驗相比，#4次試驗的空氣流量基本一致，而H2流量處于二者之間。此次試驗過程中頻繁發生爆震波傳播方向、傳播模態的改變，傳播過程極不穩定。

圖4(a)為#4次試驗的高頻壓力測量結果，如圖，試驗過程中，爆震波的傳播模態主要分為兩個階段：階段1，主要以同向傳播模態傳播，持續時間為894ms～932ms，但存在短暫的雙波對撞傳播模態；階段2，主要以雙波對撞傳播模態傳播，持續時間為932ms～1094ms，期間也存在短暫的同向傳播模態。

(a)高頻壓力整體視圖 (a) Global view of high-frequency pressure

(b)高頻壓力局部視圖，同向傳播模態，傳播方向:PCB3→PCB5(b) Local view of high-frequency pressure，ODM， propagation direction: PCB3→PCB5

(c)高頻壓力局部視圖，同向傳播模態，傳播方向:PCB5→PCB3(c) Local view of high-frequency pressure，ODM，propagation direction: PCB5→PCB3

(d)高頻壓力局部視圖，雙波對撞模態(d) Local view of high-frequency pressure，TWCPM圖4 #4次實驗高頻壓力分析結果Fig.4 High-frequency pressure result of test #4

階段1中，當爆震波以同向傳播模態傳播時，發生了傳播方向改變的現象：在896ms～912ms時間段內其傳播方向為PCB3→PCB5，局部放大圖如圖4(b)；而在929ms～931.5ms時間段內，其傳播方向變為PCB5→PCB3，局部放大圖如圖4(c)。在912.5ms～914ms時間段內，爆震波以對撞傳播模態傳播。

階段2中，雙波對撞傳播時的局部視圖如圖4(d)，PCB3處高頻壓力A1′B1′A2′B2′…呈現出與圖3(a)中相同的特點，判斷爆震波以雙波對撞傳播模態傳播。與PCB3處高頻壓力相比，PCB5處高頻壓力的時間間隔A1—B1，B1—A2的差異不明顯，這與傳感器和對撞點之間的相對位置有關。此外，PCB3與PCB5的壓力上升先后順序呈現出交替的特點，如A1—A1′，B1′—B1，其對應的傳播方向為PCB5→PCB3，PCB3→PCB5，即燃燒室中存在兩個沿相反方向傳播的爆震波頭，其引起的壓力信號分別為：A1A1′—A2A2′…，B1′B1—B2′B2…，由于傳播方向相反，故會發生對撞。此即雙波對撞傳播模態的又一個特點。

圖5 #5次實驗高頻壓力分析結果Fig.5 High-frequency pressure result of test #5

圖5為#5次試驗的高頻壓力，與#4次試驗類似，試驗過程中同向傳播模態和對撞傳播模態反復改變；與#4次試驗相比，#5次試驗的當量比略有升高，但模態變換更加頻繁，且同向傳播模態出現的比例更大。

3 傳播模態轉換機制分析

表1中不同工況下連續旋轉爆震波的傳播速度和速度虧損如圖6所示。其中#4次、#5次試驗中不同傳播模態下爆震波的傳播頻率和速度計算區域取為圖4(a)與圖5中傳播模態對應的相對平穩階段。速度虧損ε的計算方法如下：

(2)

式中，DCJ為爆震波傳播的理論CJ(Champan-Jouguet)速度。本文的CJ速度采用Cantera軟件進行計算[18]。由于連續旋轉爆震燃燒流場呈現強烈的三維性和非定常性，因此目前難以測量爆震波前可燃混合氣的狀態。而CJ速度主要受當量比、溫度和壓力的影響，其中后兩者的影響較小，計算時予以忽略，均取為300K、1個大氣壓。

(a)混合模態中，取雙波對撞模態計算爆震波傳播速度(a) Propagation velocity of the hybrid mode computed from TWCPM

(b)混合模態中，取同向傳播模態計算爆震波傳播速度(b) Propagation velocity of the hybrid mode computed from ODM圖6 傳播速度與速度虧損Fig.6 Propagation velocity and velocity deficit

圖6為爆震波傳播速度和速度虧損隨當量比的變化，圖6(a)中混合傳播模態的速度取穩定的雙波對撞傳播模態的速度，圖6(b)中則取穩定的同向傳播模態的速度。由圖可知，爆震波的傳播速度基本隨當量比的升高而增加，并在約為1.4時達到最大；隨著當量比的進一步增加，傳播速度稍有減小。速度虧損隨當量比的變化趨勢則相反，但在當量比為1.0時最小。

隨著當量比的降低，爆震波由同向傳播模態變為同向傳播/雙波對撞傳播的混合模態、雙波對撞傳播模態。傳播模態的變化也導致了傳播速度和速度虧損變化范圍的較大差異，同向傳播、雙波對撞模態的傳播速度變化范圍分別為：1517～1664m/s，1152～1182m/s；速度虧損的變化范圍分別為19.0%～21.8%，35.4%～37.2%。而混合傳播模態中，取同向傳播模態和對撞傳播模態速度時的速度虧損分別為20.4%～24.4%，36.8%～37.2%。

連續旋轉爆震波在實際的傳播過程中會受到不完全混合、熱損失、黏性、側向膨脹、曲率等的影響，導致其傳播速度下降，這體現為速度虧損。而傳播模態隨當量比發生變化，與上述損失對爆震波的影響程度有關：在較高的當量比下，混合氣的活性較強，燃燒放熱量更多，爆震波的強度較大，傳播速度也較快，爆震波足以克服上述損失以同向傳播模態傳播；隨著當量比的降低，爆震波的強度減弱，上述損失的影響相對增強，爆震波難以繼續克服損失維持同向傳播模態，而可能以另一種模態傳播，如本文中的雙波對撞模態傳播。

連續旋轉爆震波能在當量比較低情況下以雙波對撞模態傳播，這與其傳播特征有關：燃燒室中兩個傳播方向相反的爆震波周期性發生對撞，盡管其中的復雜過程使得平均傳播速度較低、速度虧損較大[16]，但激波對撞形成局部高溫高壓區，有利于混合氣的燃燒放熱并維持爆震波的傳播，其可能是連續旋轉爆震波的極限傳播模態。

4 結論

開展了H2/air連續旋轉爆震試驗，分析了不同傳播模態下的爆震波傳播頻率、速度及虧損，得到了以下結論：

1)在相同的燃燒室構型下，連續旋轉爆震波的傳播模態與推進劑組合當量比有關：隨著當量比的降低，爆震波的傳播模態由單個波頭的同向傳播模態改變為同向/雙波對撞混合傳播模態、雙波對撞傳播模態。

2)隨著推進劑當量比的降低，混合氣活性減弱、爆震波強度下降、傳播速度減小，爆震波無法維持同向傳播模態，轉為雙波對撞模態傳播。

3) 雙波對撞模態中，兩個反向傳播的激波對撞有利于燃燒放熱，可能是連續旋轉爆震波在推進劑組合活性較弱、傳播速度較低時的極限傳播模態。

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Experiment on the propagation mode of continuous rotating detonation wave

WANG Chao, LIU Weidong, LIU Shijie, LIN Zhiyong, JIANG Luxin

ExperimentsoncontinuousrotatingdetonationwaveofH2/airwereperformedwithconstantairmassflowrateandvariedH2/airequivalenceratio(ER).ThreedifferentpropagationmodesofthecontinuousrotatingdetonationwavewerefoundasthedecreasingofER,namely,onedirectionmodeathighERfrom0.90to1.86,two-wavecollisionpropagationmodeatlowERofabout0.75,hybridmodeofonedirectionmodeandtwo-wavecollisionpropagationmodeatmiddleER.Thepropagationcharacteristicsofthehigh-frequencypressureswereanalyzedandthemodetransitionmechanismofcontinuousrotatingdetonationwavewaspreliminarilystudied.WithahigherER,thestrengthofthedetonationwaveisincreasedandthelossandvelocitydeficitduringthepropagationarerelativelysmall,andthecontinuousrotatingdetonationwavecanbesustainedintheonedirectionmode;whilewithalowerER,thestrengthofthecontinuousrotatingdetonationwaveisreducedandtheinfluenceofthelossandvelocitydeficitduringthepropagationisrelativelyenlarged,onlyinthetwo-wavecollisionpropagationmodecanthecontinuousrotatingdetonationwavebesustained.Thiscanbeattributedtothecollisionofthetwocounter-propagatingshockwavesinthetwo-wavecollisionpropagationmode,whichwillpromotetheheatrelease,willenablethecontinuousrotatingdetonationwavetopropagatesteadilyatalowER,andwillmakethetwo-wavecollisionpropagationmodepossiblybetheultimatepropagationmodeofcontinuousrotatingdetonationwave.

continuousrotatingdetonation;onedirectionpropagationmode;two-wavecollisionpropagationmode;velocitydeficit;modetransition

2014-09-17

國家自然科學基金資助項目(51306202，91216120)

王超(1987—)，男，湖北黃岡人，博士研究生，E-mail：emspire529@163.com；劉衛東(通信作者)，男，教授，博士，博士生導師，E-mail：lwd_insa@sohu.com

10.11887/j.cn.201504021

http://journal.nudt.edu.cn

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