液態燃料旋轉爆轟技術研究進展

馮子軒

（中國航空發動機集團有限公司，北京 100097）

0 引言

爆轟是一種由前導激波和化學反應強烈耦合且存在強間斷現象的燃燒模式。其中，可燃反應物在前導激波的壓縮作用下發生快速化學反應，而在反應過程中釋放的劇烈化學能反過來用以支持前導激波的持續傳播。相比航空發動機和燃氣輪機等采用的等壓燃燒過程而言，爆轟過程具有更低的熵增、更快的熱釋放率、更高的壓力，有望為先進動力技術的跨越發展提供新機遇[1-2]。

根據爆轟波的傳播特點，爆轟主要包括脈沖爆轟、旋轉爆轟及斜爆轟3類。與脈沖爆轟和斜爆轟相比，旋轉爆轟在起爆頻率、燃燒室出口參數分布均勻性、進氣條件、結構緊湊性、可操作性、適用范圍等方面具有顯著優勢，其基本原理是一次起爆形成的爆轟波在環形燃燒室內沿周向自持傳播運動，爆轟波后的高溫高壓燃燒產物沿燃燒室軸向膨脹，預混/非預混可燃反應物則從爆轟波后壓力較低處持續注入，在導彈、火箭、燃氣渦輪發動機等領域均有廣闊的應用前景[3]。

鑒于旋轉爆轟的特殊性和潛在應用價值，自Nicholls等[4]在1966年率先提出將旋轉爆轟應用于動力系統理念以來，中、美、日、俄、波蘭等國相繼開展了大量基礎理論和試驗研究，并取得了一系列顯著進展。尤其是在近十年，國內外有關旋轉爆轟的研究成果數量大幅增加，部分火箭基、渦輪基、沖壓基旋轉爆轟技術在原理驗證和工程實踐方面取得了重大進展[5-6]。液態燃料作為先進動力（尤其是軍用動力）系統的最常用燃料之一，其能量密度相對較高且存儲輸運更加安全。然而，Wolański等[7]研究表明，液態燃料的起爆條件更加苛刻，旋轉爆轟的波系結構、傳播模態以及穩定性等更加復雜，致使該方面的工程化應用依然面臨嚴重挑戰。

基于上述研究現狀，本文重點從爆燃轉爆轟技術和旋轉爆轟組織技術2方面，詳細綜述液態燃料旋轉爆轟技術的國內外研究進展，并對其未來研究趨勢進行展望。

1 液態燃料爆燃轉爆轟技術

起爆是旋轉爆轟技術應用面臨的首要問題。相比氫氣、乙烯、丙烷等氣態燃料而言，液態燃料的燃燒反應活性低、火焰加速與爆燃轉爆轟距離長、胞格尺度大，導致其直接起爆需要的能量極高。因此，為提高液態燃料旋轉爆轟發動機的起爆可靠性，需要掌握氣液兩相爆轟波的形成演變機理，在此基礎上發展有效的起爆強化方法。

1.1 試驗研究

1.1.1 JP10等燃料試驗

Brophy等[8]對比分析了JP10燃料在氧氣和空氣中的爆燃轉爆轟特性，表明點火延遲時間是影響火焰加速與轉捩的重要參數，JP10燃料/空氣因反應活性較低而無法在其所研究的條件下形成穩定爆轟波；Fan等[9]研究了液態辛烷和空氣的起爆性能，指出當燃油霧化粒徑約為80 μm時，上述液態燃料可以在50 mJ初始點火能量下，通過螺旋障礙物的強化作用實現起爆；Li等[10]研究了大尺寸管道內JP10燃料液霧和空氣的爆燃轉爆轟特性，分析了在常溫常壓條件下當量比對爆轟成功率、爆轟速度以及胞格尺寸的影響規律，發現由于燃料的揮發性較低，其爆轟速度相比CJ理論值偏低且胞格尺寸較大。

1.1.2 汽油試驗

以汽油為研究對象，王治武等[11]研究了燃油霧化特性對起爆過程的影響，發現隨著霧化粒徑的減小，爆轟波的傳播速度有所增大，但是均低于CJ理論值；孫健等[12]對比了不同類型助爆裝置條件下的汽油/空氣兩相火焰傳播與爆燃轉爆轟過程，指出改善燃油蒸發特性是強化起爆的核心，通過合理布置擾流器能夠加快層流火焰向湍流火焰的過渡，并且相比鋸齒型和環型擾流器而言，螺旋型擾流器產生了較高的壓力峰值，其助爆性能最佳；Wu等[13]研究了典型因素影響下的汽油超聲霧化性能及其對起爆性能的作用，發現超聲霧化可大幅減小汽油的霧化粒徑，從而有力促進了爆轟波的快速形成。汽油超聲霧化特性如圖1所示。

圖1 汽油超聲霧化特性[13]

張義寧等[14]提出了一種適用于汽油/空氣預爆管的起爆強化方法，其中采用了氣動閥與燃油氣動霧化一體化設計，并通過螺旋、片狀擾流、激波反射等助爆結構來加速火焰的傳播與轉捩；秦鵬高等[15]分析了80 mm管內的汽油/空氣爆燃轉爆轟過程，表明增大進氣壓力和提高脈沖爆轟的頻率有助于爆轟波的形成；劉道坤[16]則研究了不同點火模式下的汽油/富氧空氣起爆的影響，發現提高點火能量、合理布置預爆管以及延遲點火時間有助于爆轟波的形成。

1.1.3 液態煤油試驗

Kindracki[17]分析了氧體積分數、初始點火方式、管徑等典型參數對煤油在圓管內起爆性能的影響，得到了直接起爆臨界條件，煤油臨界起爆管徑和氧體積分數如圖2所示；Wang等[18]對煤油/氧氣兩相起爆的研究表明，由于燃油蒸發和油氣摻混的影響，當兩相爆轟波的傳播速度達到CJ理論值的80%時，即可以認為實現了穩定起爆。

圖2 煤油臨界起爆管徑和氧體積分數[17]

為加強液態煤油的起爆效果，Wang等[19]探究了點火模式對煤油/空氣爆轟波性的影響，表明相比火花直接起爆和熱射流起爆而言，預爆管可以顯著縮短爆燃轉爆轟的時間和距離，3種典型的點火方式如圖3所示；Yan等[20]從強化霧化和油氣摻混角度出發，對比了在4種噴嘴條件下的煤油起爆特性，通過分析速度和壓力的變化，認為采用高收縮比和高膨脹比噴嘴對起爆有利；Fan等[21]提出了一種基于余熱輔助燃油霧化的兩相起爆強化方法，表明液態煤油在加熱作用下能夠達到較好的霧化效果，進而有利于縮短起爆距離和提高起爆成功率；李夏飛等[22]為實現液態燃料旋轉爆轟發動機的快速起爆，設計了一種基于雙級軸向旋流的煤油/氧氣預爆管結構，煤油/氧氣預爆管旋流器如圖4所示，并對比了工作時序、油氣比以及典型結構參數等兩相起爆過程的影響規律，表明采用上述預爆結構可以有效解決煤油/氧氣起爆距離長和起爆率較低的問題，爆轟波的壓力和速度分別達到了4 MPa和1300 m/s，最佳起爆油氣比約為0.60～0.73。

圖3 3種典型的點火方式[19]

圖4 煤油/氧氣預爆管旋流器[22]

1.2 數值模擬研究

在試驗研究基礎上，為進一步深入掌握氣液兩相火焰的形成、加速、轉捩過程以及系列影響因素的作用機制，國內外學者還開展了相關數值模擬工作。

張群等[23-24]采用1維數值仿真剖析了液態辛烷/空氣兩相混合物的爆燃轉爆轟特性，詳細討論了部分預蒸發、液滴數量、點火能量、初始溫度等參數對爆轟波結構與發展過程的作用機制，表明燃油預蒸發、減小液滴尺寸、提高點火能量和初始溫度均能夠促進爆轟波的形成，并且隨著液滴數量的增加，爆燃向爆轟的轉變過程會有所延遲。

Shen等[25]基于CE/SE數值求解方法研究了液滴尺寸和當量比對液態癸烷/空氣兩相爆轟的影響，表明對于較大尺寸的液滴，在貧燃條件下兩相爆轟速度低于氣相爆轟速度，而在富燃條件下的兩相爆轟速度要高于氣相爆轟速度；Smirnov等[26-27]對非均勻液滴尺寸和非均勻油氣空間分布情況下的兩相起爆進行了2維數值模擬研究，通過分析不同位置和不同時刻的火焰傳播速度、壓力以及溫度變化規律，發現液滴尺寸和分布不均勻會顯著影響爆轟波形成的時間、減小液滴尺寸，有利于強化起爆過程；Nguyen等[28]通過2維數值模擬研究了Jet-A/空氣的兩相起爆過程，指出燃油的預汽化質量分數對火焰加速與轉捩具有顯著影響，并且與完全汽化相比，不完全汽化情況下的燃燒溫度和爆轟速度略低。Jet-A/空氣起爆過程如圖5所示。

圖5 Jet-A/空氣起爆過程[28]

Jia等[29]采用2維數值模擬研究了液態正癸烷在障礙物管道內的火焰傳播與爆轟轉捩規律，發現在其所研究的結構和參數條件下，燃料液滴的存在會使起爆“熱點”位置發生改變，并且當液滴粒徑由10 μm增大到30 μm時，爆燃轉爆轟的時間和距離分別增加了126%和33.8%。

此外，許多研究人員對汽油、煤油等液態燃料的脈沖爆轟開展了部分研究工作[30-31]，但是本文主要側重于脈沖爆轟發動機性能研究，因此不對其研究情況進行詳細介紹。

2 液態燃料旋轉爆轟組織技術

對于液態燃料旋轉爆轟而言，其涉及復雜的燃料噴注、破碎、蒸發、化學反應等過程，爆轟波、斜激波及其之間的相互作用導致爆轟多物理場的組織調控變得十分困難。因此，為實現液態燃料旋轉爆轟發動機的可控穩定運行，需要探究復雜進氣和燃料供給條件下的氣液兩相旋轉爆轟波傳播特性、敏感影響因素及其調控方法。

2.1 試驗研究

Li等[32]對比了預混和非預混Jet A-1液態燃料的旋轉爆轟燃燒過程，指出在相同工況參數下，非預混旋轉爆轟波更難觸發和穩定傳播；Frolov等[33]研究了“膜式”噴油、氧氣為氧化劑時的旋轉爆轟現象，認為霧化和蒸發性能是決定液態燃料燃燒模式的重要因素；鄭權等[34]采用由氫氣和氧氣起爆的環形陣列式旋轉爆轟試驗系統研究了汽油/富氧空氣的爆轟波傳播特性，表明在氧體積分數析為34.3%和當量比為0.82的工況下，爆轟波平均傳播速度約為1051 m/s，波頭高度為55~70 mm；鄭權等[35]還通過試驗探究了燃燒室長度、寬度[36]、當量比[37]、噴注壓力[38]、中心錐結構[39]等對汽油/富氧空氣旋轉爆轟過程的影響，發現在其研究的參數范圍內，燃燒室尺寸減小直接影響燃油-空氣的摻混均勻性，導致燃燒室內出現了爆轟效果變差、壓力波振蕩現象增強以及爆轟波傳播速度虧損等現象，隨著高噴注壓力下燃油霧化性能的改善，氣液兩相旋轉爆轟的傳播穩定性顯著提高；葛高楊等[40]以外徑、內徑、長度分別為202、166、155 mm的環形旋轉爆轟燃燒室為研究對象，分析了高溫空氣來流環境下汽油/空氣的旋轉爆轟特點，表明當空氣質量流量、當量比、空氣總溫分別為1110 g/s、0.97、713 K的條件下，氣液兩相旋轉爆轟波能夠以雙波對撞模態進行自持穩定傳播。

針對煤油燃料，Kindracki[41]測量了其在旋轉爆轟模型燃燒室（其煤油霧化試驗系統如圖6所示）內的霧化特性，表明當氣流溫度為290 K時，煤油的索泰爾平均直徑可達到約33~38 μm；在此基礎上，Kindracki[42]進一步試驗探究了煤油-氫氣-空氣的非預混旋轉爆轟特性，發現煤油液滴的破碎與蒸發使燃燒室內存在混合不均勻現象，導致液態燃料旋轉爆轟波的觸發難度升高，強化煤油霧化或提高空氣溫度均有利于旋轉爆轟波的形成和穩定性傳播；Bykovskii等[43-44]研究了煤油在富氧空氣、摻氫或合成氣條件下的旋轉爆轟現象，指出旋轉爆轟波的形成與傳播模態受氧化劑類型的影響非常顯著。

圖6 旋轉爆轟模型燃燒室內煤油霧化試驗系統[41]

王迪等[45]采用氫氣和氧氣作為起爆方式，對小孔噴注煤油和富氧空氣或氧氣的兩相旋轉爆轟進行了試驗研究，表明煤油霧化特性和氧體積分數直接決定了兩相爆轟波的特征參數、傳播模態以及穩定性，提高霧化質量和氧體積分數可加快爆轟波的傳播速度；胡洪波等[46]和吳云等[47-50]分別研究了煤油預先燃燒式旋轉爆轟方案的可行性（預先燃燒式煤油旋轉爆轟原理如圖7所示），其結果一致表明，與液態煤油相比，煤油預先燃燒后的高溫燃氣能夠使燃燒室在更低的氧含量、更寬的進氣參數范圍內實現旋轉爆轟波的快速形成和穩定傳播。

圖7 預先燃燒式煤油旋轉爆轟原理[47]

王致程等[51]針對煤油/富氧空氣（氧體積分數為40%）開展了旋轉爆轟試驗研究（采用乙烯和氧氣起爆，煤油通過離心噴嘴噴注），發現在無內柱燃燒室內，氧化劑流量太低容易導致旋轉爆轟波無法穩定自持傳播；環形燃燒室寬度增大可以提高爆轟波傳播速度，但是明顯低于無內柱條件下的傳播速度，燃燒室寬度對旋轉爆轟速度的影響如圖8所示；賈冰岳等[52]采用等直圓環旋轉爆轟燃燒室及其預爆管（如圖9所示）試驗分析了煤油/氧氣預爆壓力、燃燒室油氣比、來流總溫、點火器安裝方式等典型因素對液態碳氫燃料/純凈空氣旋轉爆轟波形成與傳播過程的影響，表明預爆壓力和來流總溫升高、當量比趨近于1以及預爆轟波垂直射流均有利于縮短旋轉爆轟波形成時間。

圖8 燃燒室寬度對旋轉爆轟速度的影響[51]

圖9 等直圓環旋轉爆轟燃燒室及其預爆管[52]

Meng等[53]試驗研究了煤油/富氧空氣的旋轉爆轟特性，表明在當量比為0.7時，隨著富氧空氣流量由585.3 g/s提高至1493.8 g/s，旋轉爆轟波會經歷單波、單雙波混合以及雙波3種典型的傳播模態，并且雙波比單波具有更高的傳播穩定性；在此基礎上，Meng等[54]還探究了煤油/空氣在凹腔燃燒室（基于凹腔的環形旋轉爆轟試驗系統如圖10所示）內的旋轉爆轟模態，發現在0.77～1.47的當量比范圍內能夠實現吸氣式自持傳播，但是傳播速度小于CJ理論值。此外，該團隊還進一步分析了氧體積分數和進氣溫度等典型因素對煤油/富氧空氣旋轉爆轟傳播穩定性的作用，并揭示了傳播模態轉換和發生不穩定現象的原因。

圖10 基于凹腔的環形旋轉爆轟試驗系統[54]

Zhao等[55]試驗研究了燃燒室出口收縮比對煤油/富氧空氣旋轉爆轟形成與傳播過程的影響，觀察到當采用收斂比較小的燃燒室出口時，更容易獲得穩定的兩相旋轉爆轟波，煤油/富氧空氣傳播模態的操作范圍如圖11所示。

圖11 煤油/富氧空氣傳播模態的操作范圍[55]

2.2 數值模擬研究

2.2.1 2維數值模擬

在2維數值模擬方面，Hayashi等[56]利用2步化學反應機理和歐拉-歐拉模型探究了當量比、液滴直徑、初始壓力與溫度等對JP-10燃料/空氣兩相旋轉爆轟過程的影響，發現當液滴直徑大于4 μm或蒸發量小于20%時易出現熄爆現象；Sun等[57]研究得到了理想當量比條件下辛烷/空氣旋轉爆轟穩定傳播邊界與空氣總溫、噴油間距之間的關系，表明隨著空氣總溫升高，爆轟波的峰值溫度、高度和傳播速度增加而峰值壓力減小，隨著噴油間距增大，爆轟波傳播速度減小但峰值溫度和峰值壓力增大，噴油間距越大，爆轟波受燃料射流的干擾就越明顯，當間距達到10 mm且空氣總溫為300 K時，無法形成穩定爆轟波；在相關試驗研究基礎上，Wang等[58-59]基于改進的CE/SE歐拉求解方法分別研究了噴注總溫（300～800 K）、噴注面積比（0.4～1.0）、總壓（1～2 MPa）以及當量比（0.9～1.4）等典型因素對煤油/空氣預混旋轉爆轟過程的作用，表明噴射總溫升高，未反應區內氣體會發生局部爆燃現象，進而影響爆轟波的傳播速度和模態，總壓對爆轟波傳播穩定性的影響較大而對爆轟波速的作用較小，壓力升高會削弱爆轟不穩定，在貧燃工況下，直接形成旋轉爆轟的難度較大；Wang所在團隊的其他科研人員[60-63]還分別以汽油/富氧空氣和煤油/氫氣/空氣[64]為研究對象，分析了噴注壓力、氧化劑填充比、進氣總壓、當量比、氧體積分數等可控物理參數和燃燒室軸向/周向長度、寬度、中心錐位置與角度等可控幾何參數改變對氣液兩相旋轉爆轟形成與傳播多物理場特征、自持穩定傳播邊界和傳播模態等的影響機理，認為由于液滴破碎與蒸發過程的存在，兩相爆轟波的壓力和溫度耦合存在一定的間歇性，進而導致了爆轟波傳播速度的減慢，旋轉爆轟的自持穩定運行邊界較氣相有所變窄，并且受進氣條件的影響更加敏感，使得傳播模態的形成與轉換機理更加復雜、組織調控難度更大。進氣總壓和當量比對旋轉爆轟傳播模態的影響如圖12所示。

圖12 進氣總壓和當量比對旋轉爆轟傳播模態的影響[60]

Liu等[65]分析了不連續反應物對煤油/空氣預混旋轉爆轟流場結構的影響（噴注模式對煤油/空氣旋轉爆轟的影響如圖13所示），采用全面積噴射模型時，反應物連續分布在三角形氣相層中，旋轉爆轟波以規則的胞格結構穩定傳播，當采用間隔噴射時，新鮮反應物和燃燒產物在遠離燃燒室頭端壁的位置相互混合，形成了三角形爆燃區，導致爆轟前沿部分解耦，并且大面積爆燃使燃燒室流場結構發生扭曲，降低了燃燒室的推進性能。

圖13 噴注模式對煤油/空氣旋轉爆轟的影響[65]

楊帆等[66]采用一步反應機理和Eulerian-Lagrangian模型研究了煤油/空氣的非預混旋轉爆轟過程，發現受爆轟波前液滴直徑和高溫空氣預蒸發組分分布的影響，單個旋轉爆轟波由2個強度不同的子爆轟波支配，并且在富燃工況下，爆轟波的面變會極為不平整；Ren等[67]探究了煤油/空氣兩相旋轉爆轟的傳播穩定性問題，重點剖析了爆轟波的分岔現象，認為反應主導淬熄和蒸發主導淬熄是引發爆轟波失穩解耦的2個重要原因；Meng等[68-69]則研究了部分預蒸發和摻氫作用下正庚烷的旋轉爆轟多物理場變化規律（正庚烷旋轉爆轟多物理場如圖14所示），揭示了液滴時空分布與爆轟波、斜激波特征參數之間的關系，同時指出液滴粒徑和蒸發速率是引起爆轟波速度虧損的關鍵參數。

圖14 正庚烷旋轉爆轟多物理場[69]

2.2.2 3維數值模擬

在3維數值模擬方面，Wang等[70]采用歐拉-歐拉模型和理想進氣邊界條件，討論了不同噴射總溫和液滴半徑下的煤油/空氣旋轉爆轟行為，發現液滴蒸發會引起反應物的局部分層，從而容易導致3維旋轉爆轟波發生扭曲和傳播失穩，煤油/空氣3維旋轉爆轟如圖15所示；丁陳偉等[71]分析了噴注壓力和當量比對汽油/空氣旋轉爆轟流場和燃燒室性能的影響規律，表明氣液兩相旋轉爆轟燃燒室中存在不完全燃燒現象，當總當量比為1且保持不變時，燃油噴注壓力升高會使燃燒室內的燃料分布不均勻性增強，出現局部富燃和反應不完全現象，導致燃燒室的性能降低；李寶星等[72]基于3維守恒元與求解元方法，數值分析了預混、理想進氣條件下的汽油/富氧空氣3維旋轉爆轟流場結構，發現在環形燃燒室外壁面收斂和內壁面發散的共同作用下，爆轟波的強度沿著燃燒室徑向不斷增強。

圖15 煤油/空氣3維旋轉爆轟[70]

3 結束語

旋轉爆轟作為航空、航天、航海、工業驅動與發電領域的前沿創新技術之一，已成為國內外先進動力領域的研究熱點。近十年來，以中國科研人員為代表的大量學者圍繞氣液兩相爆轟理論及其應用問題，在液態燃料爆燃轉爆轟、旋轉爆轟組織等方面取得了許多代表性的研究成果，極大促進了旋轉爆轟理論和技術的發展。然而，考慮到氣液兩相旋轉爆轟所具有的復雜跨尺度特征、多物理場相互耦合且影響因素呈現多源性，現有液態燃料起爆和旋轉爆轟組織技術在工程實踐中還面臨多重挑戰，相關的探索性研究仍需不斷深入開展。其中，亟需解決的部分問題如下：

（1）提出科學有效的液態燃料快速起爆新方法，解決預爆管和燃燒室燃料/氧化劑不統一的問題。由于液態燃料的反應活性相對較低且其爆燃轉爆轟過程受液態燃料霧化、蒸發以及油氣摻混均勻性的影響非常顯著，導致目前氣液兩相旋轉爆轟燃燒室或發動機通常采用更容易起爆的氫氣/空氣、氫氣/氧氣進行預爆，這將會極大影響旋轉爆轟技術的便捷性和安全性。因此，需要在現有研究基礎上，開展液態燃料超細霧化、多旋流高效摻混、等離子點火與助燃、激波聚焦起爆等新技術研究與應用探索，為縮短液態燃料爆燃轉爆轟距離和提高預爆管出口爆轟波強度提供有力支撐。

（2）加強液態燃料非預混旋轉爆轟3維數值模擬研究深度，提升對旋轉爆轟復雜多物理場的認知水平。數值模擬作為開展旋轉爆轟燃燒室或發動機設計的重要手段之一，可有效降低研制成本和試驗風險。然而，從上述研究現狀可知，目前國內外對于氣液兩相旋轉爆轟的數值研究主要側重于2維、預混方面，而對考慮真實工作條件的3維、非預混研究較少，因此對旋轉爆轟多物理場演變規律和組織調控還存在諸多不足，嚴重制約了高性能旋轉爆轟燃燒室或發動機的優化設計。

（3）發展先進的高頻高精度測試技術，為旋轉爆轟試驗奠定基礎。與傳統的等壓燃燒過程不同，旋轉爆轟具有典型的高溫、高壓、高速特征。目前國內外通常采用高頻壓力傳感器測量旋轉爆轟波的壓力峰值、傳播速度和工作頻率等基本信息，部分研究基于激光誘導熒光法（Planner Laser Induced Fluorescence,PLIF）的非接觸光學測量技術探究了氣態燃料的旋轉爆轟燃燒場分布與演變規律，為深入認知旋轉爆轟燃燒機制提供了有效手段。未來，有必要在現有測試技術基礎上，充分發揮光學非接觸測量的諸多優勢，探索適用于液態燃料旋轉爆轟場分析的先進測試技術。