液體碳氫燃料旋轉爆震燃燒研究進展

2025-04-14 00:00:00王可于瀟棟張禛瑞范瑋

航空兵器 2025年1期

摘要：""""" 爆震波傳播速度高達千米每秒量級，反應物來不及膨脹便完成燃燒，可實現(xiàn)近似等容燃燒過程，故采用爆震燃燒有望提高熱循環(huán)效率。作為爆震燃燒的可行方式，旋轉爆震在航空航天推進領域具有重要應用潛力，已成為研究熱點之一。本文圍繞液體燃料兩相旋轉爆震燃燒的點火起爆，常溫來流條件下氧化劑、燃料預處理等對旋轉爆震波傳播的影響，高焓來流條件下沖壓和加力場景的旋轉爆震燃燒組織進行了梳理與總結，對旋轉爆震在噴氣式推進領域的應用前景進行了展望。

關鍵詞："""" 旋轉爆震；液體燃料；起爆；燃燒組織

中圖分類號：""" """TJ760； V434

文獻標識碼：""" A

文章編號：""" "1673-5048（2025）01-0001-13

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2025.0026

0 引" 言

爆震波傳播速度高達千米每秒量級，遠高于緩燃波，反應物來不及膨脹便已完成燃燒，可實現(xiàn)接近等容燃燒的效果，應用于噴氣式推進時具有熱循環(huán)效率高的潛在優(yōu)勢^［¹^］。目前，采用爆震燃燒的動力概念主要包括脈沖爆震發(fā)動機（Pulse Detonation Engine， PDE）^［^2-6^］、駐定爆震發(fā)動機（Standing Detonation Engine， SDE）^［^7-9^］和旋轉爆震發(fā)動機（Rotating Detonation Engine， RDE）^［^10-13^］。 RDE推力輸出接近于穩(wěn)態(tài)，近年來受到了廣泛關注^［^14-23^］。

旋轉爆震發(fā)動機的可行性研究最早可追溯到20世紀60年代， Voitsekhovskii等^［²⁴^］在圓盤形實驗裝置中實現(xiàn)了乙炔/氧氣預混氣體的爆震燃燒，發(fā)現(xiàn)存在一個或多個爆震波在燃燒室內周向傳播，由此提出旋轉爆震的概念。隨后， Nicholls等^［²⁵^］在H2/O2和CH4/O2的混合氣中獲得了旋轉爆震波。然而，受限于當時的數(shù)值仿真和實驗測試能力，旋轉爆震燃燒的研究未能取得實質性進展。 21世紀以來，隨著人們對爆震現(xiàn)象的認識愈發(fā)深刻，加上高超聲速飛行對先進動力裝置的迫切需求，旋轉爆震的相關研究報道逐漸增多。在實際應用中，受體積和重量的限制，需要采用能量密度高、便于攜帶、儲存安全的液體碳氫燃料，如航空煤油等^［²⁶^］。與氣相旋轉爆震燃燒相比，在氣液兩相旋轉爆震燃燒中，液體燃料需要經(jīng)歷霧化和蒸發(fā)過程；此外，旋轉爆震燃燒對燃油霧化和摻混的要求顯著高于常規(guī)的緩燃燃燒，大幅增加了兩相旋轉爆震燃燒組織的難度。

圍繞液體燃料旋轉爆震燃燒組織，本文主要基于國內外公開文獻和團隊研究進展，重點對常溫和高焓來流條件下旋轉爆震的起始和傳播過程進行了梳理、歸納和總結。

1 點火起爆

點火方式對旋轉爆震的觸發(fā)過程具有重要影響，一定程度上又影響著旋轉爆震波能否穩(wěn)定自持傳播。實際上，旋轉爆震波的觸發(fā)包括直接起爆和間接起爆兩種方式。直接起爆須采用高能點火，瞬間引燃可燃混合物，觸發(fā)爆震波。然而，直接起爆需要很高的點火能量，對于一般的碳氫燃料，點火能量需在105 J以上^［^27-28^］，對點火系統(tǒng)提出了很高要求。因此，研究人員普遍采用點火能量更小的間接起爆方式。間接起爆方式通常采用火花塞或預爆管等實現(xiàn)點火，經(jīng)緩燃向爆震轉變（Deflagration to Detonation Transition， DDT）過程形成爆震波^［²⁹^］。

1.1 火花塞點火

火花塞點火具有結構簡單、安裝方便、無需增加額外供給等優(yōu)點。 Voitsekhovskii等^［^{24， 30}^］首次在圓盤形燃燒室中實現(xiàn)乙炔/氧氣混合物旋轉爆震，便采用了火花塞點火。 Nicholls等^［²⁵^］為了避免火花塞點火后產(chǎn)生的沿相反方向傳播的緩燃波發(fā)生碰撞，導致點火失敗，在火花塞一側安裝了易碎薄膜，確保緩燃波僅沿環(huán)形燃燒室的另一側傳播。然而，由于反應物填充不足和摻混不均等問題，旋轉爆震波在傳播一周后便解耦熄滅。同樣地，為了控制旋轉爆震波的傳播方向， Braun等^［³¹^］設計了旋流噴注結構，噴注口附近安裝火花塞，在環(huán)形燃燒室內實現(xiàn)了氫氣/空氣混合物的旋轉爆震，可實現(xiàn)爆震波沿反應物填充方向傳播。然而，該方式需要精確的時序控制，應用難度較大。其次，火花塞附近的反應物混合不理想且湍流流動較強，起爆成功率難以保證。 Peng等^［³²^］在環(huán)形燃燒室中，采用火花塞點火實現(xiàn)了氫氣/空氣的旋轉爆震燃燒，起爆成功率為75%～94%。然而，在相同工況下，采用普通火花塞點火時，起爆時間表現(xiàn)出較強的隨機性。

為了進一步縮短起爆時間，提高起爆成功率， Zhao等^［³³^］提出了一種補氧點火方案。在火花塞點火前，向燃燒室點火區(qū)域填充少量氧氣，增加火花塞周圍的含氧量，提高局部化學反應活性。在當量比范圍0.51～1.15內可成功觸發(fā)乙烯/空氣的旋轉爆震波，起爆時間在40 ms以內，起爆成功率為100%。此外，他們發(fā)現(xiàn)提高氧氣的流量有利于旋轉爆震波的快速建立，并降低起爆時間的隨機性。研究表明，在當量比超過0.5時，采用上述起爆方式得到的旋轉爆震工作范圍和起爆時間與采用預爆管點火起爆相當。

關于火花塞的點火位置，夏鎮(zhèn)娟等^［³⁴^］在圓盤形燃燒室軸向位置和左右壁面的徑向位置布置火花塞安裝點，研究了點火位置對氫氣/空氣旋轉爆震起爆過程、起爆時間和傳播特性的影響。結果表明，改變點火位置對旋轉爆震波的起爆過程影響較小，但在臨界工況附近，點火位置的變化會影響旋轉爆震波的傳播模態(tài)。

針對火花塞點火方式，現(xiàn)有研究多采用氣態(tài)燃料，才能實現(xiàn)旋轉爆震波的觸發(fā)和自持傳播。液體燃料化學反應活性較低， DDT距離長，采用普通火花塞點火起爆的難度較大^［³⁵^］。目前，鮮有采用火花塞點火起爆液態(tài)燃料的研究報道。而且，火花塞點火存在起爆成功率較低、起爆時間較長和爆震波傳播方向難以控制等問題。因此，常采用預爆管點火起爆。

1.2 預爆管點火

預爆管點火方式是在一個較小的爆震管中，采用較易起爆的高活性反應物點火^［^36-39^］，通過DDT過程觸發(fā)爆震波，以此點燃旋轉爆震燃燒室中的反應物，從而更快地觸發(fā)旋轉爆震波。因此，預爆管內反應物的活性、填充壓力，預爆管安裝角度和位置均會影響旋轉爆震的起爆時間和爆震波強度，進而影響旋轉爆震波的傳播特性。

Miller等^［⁴⁰^］采用紋影法研究了預爆管安裝角度對爆震波起爆過程的影響，認為預爆管安裝角不會改變爆震波的觸發(fā)、傳播速度和解耦位置。然而，該實驗在方形空腔內開展，在旋轉爆震燃燒室內的影響如何仍需進一步驗證。劉世杰等^［⁴¹^］采用兩級收縮的切向預爆管，填充氫氣/氧氣，在環(huán)形燃燒室內成功觸發(fā)了氫氣/空氣旋轉爆震波，分析了預爆管填充過程對旋轉爆震波的影響。 Ma等^［⁴²^］采用相同的燃料和氧化劑開展的實驗表明，預爆管填充時間延長，導致燃燒室內觸發(fā)的首道爆震波強度增加，反應物噴注過程受阻，最終導致旋轉爆震波的起爆時間相應延長。

液體碳氫燃料的燃燒，需要經(jīng)歷液滴的破碎、霧化和蒸發(fā)，燃料和氧化劑的摻混等復雜過程。采用諸如煤油、柴油等難揮發(fā)性燃料時，點火起爆面臨的挑戰(zhàn)更大。

賈冰岳等^［43^］采用填充煤油/氧氣的預爆管，研究了預爆管出口壓力和安裝方式等對環(huán)形燃燒室中旋轉爆震波建立過程的影響。研究表明，提高預爆管出口壓力和來流總溫均可縮短旋轉爆震波的起爆時間。總溫大于673 K，預爆管切向安裝時，起爆時間約10 ms；而垂直安裝時，預爆管出口強激波與內柱反射激波耦合，可快速建立旋轉爆震波。例如，在來流總溫740 K，化學恰當比時，可在1 ms內形成穩(wěn)定的旋轉爆震波，接近直接起爆時間。如圖1所示，趙明皓等^［^44-45^］采用填充乙烯/氧氣的垂直安裝預爆管，研究了預爆管軸向位置對航空煤油/富氧空氣旋轉爆震起爆的影響，獲得了穩(wěn)定爆震和不穩(wěn)定爆震兩種模態(tài)的旋轉爆震波。研究表明，不同點火位置均可觸發(fā)并實現(xiàn)旋轉爆震波的穩(wěn)定傳播，點火位置對穩(wěn)定旋轉爆震波的平均傳播速度影響較小；旋轉爆震波的建立過程均可分為緩燃、起爆和穩(wěn)定旋轉爆震三個階段。其中，緩燃階段占爆震波建立時間的60%～80%，是制約旋轉爆震波快速觸發(fā)的關鍵環(huán)節(jié)。

此外，也有學者提出了不同構型的預爆管點火方案。張開晨^［⁴⁶^］設計了離心/預膜復合燃油霧化以及凹腔等多種截面的預爆管方案。預爆管采用煤油為燃料，氧氣為氧化劑。實驗研究了不同布置方式和不同截面形狀的預爆管對爆震波起始和自持傳播的影響，采用數(shù)值模擬研究了點火位置和點火源數(shù)量對旋轉爆震波觸發(fā)的影響。結果表明，圓截面預爆管的起爆性能最穩(wěn)定；采用三枝管構型多點起爆，點火能量較高，可以改善反應物局部摻混不足導致的起爆失敗。然而，預爆管頭部霧化結構總壓損失較大，多枝管構型亦提高了點火裝置的復雜性。

除了研究單一的火花塞或預爆管起爆方式外，一些學者還對不同點火起爆方式對旋轉爆震波建立過程的影響進行了比較。 Kindracki等^［⁴⁷^］在環(huán)形燃燒室中研究了火花塞與切向安裝預爆管兩種方式對甲烷/空氣旋轉爆震波觸發(fā)的影響。研究表明，相同工況下，火花塞點火的起爆成功率僅為40%，預爆管點火的成功率則超過95%。 Yang等^［⁴⁸^］通過實驗分析了基于氫氣/氧氣混合物的預爆管、高能火花塞和低能火花塞三種點火起爆方式對旋轉爆震波起爆及傳播特性的影響。結果表明，火花塞點火時，旋轉爆震波的起爆時間具有一定的隨機性；提高點火能量可以顯著減少起爆時間，其中預爆管點火方式的起爆時間最短。 Mizener等^［⁴⁹^］同樣采用填充氫氣和氧氣混合物的預爆管，實驗對比了預爆管和火花塞的起爆性能，發(fā)現(xiàn)兩種方式均能觸發(fā)兩個沿相反方向傳播的爆震波，傳播至燃燒室另一側碰撞后解耦，并產(chǎn)生一系列壓力波。采用預爆管點火，爆震波解耦后還可觀察到旋轉氣流的存在，而火花塞點火并未顯示出旋流現(xiàn)象。綜上，與火花塞點火相比，預爆管點火在提高起爆成功率和縮短爆震波起爆時間等方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，受到了研究人員的廣泛關注。需要指出，預爆管點火方式雖然能夠提供較高的點火能量，但額外的高活性反應物需求導致供給系統(tǒng)復雜性增加。因此，如何實現(xiàn)低活性反應物的高效短距起爆還需要進一步研究。

2 常溫來流下含氧量對旋轉爆震燃燒的影響

氧化劑含氧量影響可燃混合物的反應活性，進而影響旋轉爆震波能否成功起始和穩(wěn)定自持傳播。火箭發(fā)動機中采用純氧作為氧化劑，旋轉爆震燃燒的組織相對容易；吸氣發(fā)動機以大氣中的空氣作為氧化劑，組織爆震燃燒的條件與火箭發(fā)動機截然不同。根據(jù)含氧量將氧化劑分為氧氣、富氧空氣、空氣三種，本節(jié)重點圍繞常溫來流條件下氧化劑對旋轉爆震燃燒的影響進行介紹。

2.1 氧" 氣

Bykovskii等^［^50-54^］開展了大量液體燃料旋轉爆震燃燒研究，采用煤油、汽油、苯、乙醇、丙酮和柴油等作為燃料，氧氣作為氧化劑，在環(huán)形燃燒室中實現(xiàn)了多種液體燃料的旋轉爆震。同時，他們對燃燒室內的流場進行了拍攝，得到了微秒級兩相旋轉爆震波的結構特征，爆震波傳播速度為1 000～2 000 m/s。同期，為了驗證旋轉爆震燃燒在吸氣式動力和火箭應用中的可行性， Daniau^［55^］與Bykovskii合作，開展了在內徑50 mm、長100 mm的發(fā)動機構型上的實驗，使用煤油/氧氣獲得了2 750 N的推力。他們預測，安裝噴管后推力可以進一步增加，證明了旋轉爆震發(fā)動機在實際應用上的潛力。同樣采用煤油/氧氣，王迪等^［^56-57^］在煤油流量81.8 g/s、氧氣流量231.8 g/s的條件下，得到了雙波模態(tài)的旋轉爆震波，爆震波傳播速度為1 848 m/s。研究表明，在純氧工況下，由于燃燒室內霧化差異和油氣分布不均，爆震波傳播時波頭向著霧化較好的位置移動，表現(xiàn)出很強的非定常特性。通常，燃料通過頭部周向分布的燃料噴孔或噴嘴進入燃燒室。然而， Frolov等^［⁵⁸^］設計了一種基于“液膜蒸發(fā)”方案的火箭式液體旋轉爆震發(fā)動機模型。與常規(guī)噴注方案不同，液體燃料通過安裝在燃燒室軸向的多孔環(huán)狀噴注器進入燃燒室內部，并在噴注器表面形成一層液膜。氧化劑通過燃燒室頭部的周向環(huán)縫供給。理論上，該構型既能實現(xiàn)爆震波的穩(wěn)定傳播，又兼顧了燃燒室壁面的主動冷卻。他們采用氧氣和揮發(fā)性高的液體燃料戊烷，獲得了單波、雙波和軸向脈沖爆震三種模態(tài)的爆震波。測量的爆震波平均速度在720～970 m/s。雖然存在較大速度損失，但證明了通過燃料進行液膜冷卻組織爆震燃燒具有一定的可行性。

2.2 富氧空氣

一般而言，大分子液體碳氫燃料的化學反應活性低于氣態(tài)燃料，如果霧化摻混不均，將導致燃料無法完全參與反應。在來流空氣中補充氧氣，提高氧化劑中氧氣的體積分數(shù)，可以大幅提高新鮮混合物的活性，便于實現(xiàn)液體碳氫燃料旋轉爆震波的穩(wěn)定傳播。

Bykovskii等^［^{52， 59}^］在直徑30.6 cm的環(huán)形燃燒室內進行了大量實驗研究。為了提高可燃混合物活性，他們在混合物中補充氧氣（氧氣與氮氣質量比為1∶1，即氧氣體積分數(shù)大于46.7%），使用僅含有0.2 g高能炸藥的點火器，實現(xiàn)了煤油/富氧空氣混合物的旋轉爆震，證明了采用富氧空氣提高起爆成功率的可行性。在隨后的研究中， Bykovskii^［50^］發(fā)現(xiàn)以汽油或煤油為燃料時，需要采用富氧空氣作為氧化劑才能實現(xiàn)常溫來流下的旋轉爆震燃燒，且氧氣與氮氣質量比不低于0.41。

氧化劑中含氧量的增加，導致爆震波傳播速度相應增大。王迪等^［^56-57^］采用“噴孔-環(huán)縫”噴注構型，富氧空氣和煤油分別經(jīng)收縮-擴張型環(huán)縫和噴孔進入環(huán)形燃燒室，如圖2所示。來流富氧空氣中氧氣和氮氣質量比為1.6∶1，即氧氣體積分數(shù)為58.3%，在當量比為1.083工況下，實現(xiàn)了單波模態(tài)下的兩相旋轉爆震波的自持傳播。平均傳播速度為648.8 m/s，可見速度虧損較大。他們的研究表明，當氧氣和氮氣質量比超過10時，即氧氣體積分數(shù)超過89.7%，爆震波旋轉傳播速度穩(wěn)定在2 440 m/s，約為C-J速度的95.3%。可見氧化劑活性提高，有利于旋轉爆震波的自持傳播。鄭權等^［^{38-39， 60-61}^］開展了汽油/富氧空氣的旋轉爆震實驗，在環(huán)形燃燒室中，采用16個環(huán)形陣列分布的燃油噴嘴，" 單個噴嘴剖視圖如圖3所示。在氧化劑體積分數(shù)28%～39%范圍內，他們獲得的旋轉爆震波傳播速度為1 022.2～1 171.8 m/s，同等氧化劑活性下，采用汽油時，速度較王迪等人采用煤油時有一定提高。然而，雖然爆震波始終單向傳播，但存在單波、雙波和多波同時存在的混合傳播模態(tài)。他們分析了當量比、混合物總質量流量、燃燒室長度和噴注壓力對爆震波傳播特性的影響。

Xu等^［⁶²^］同樣采用煤油/富氧空氣，富氧空氣混合物中氧氣的質量分數(shù)約41%。采用環(huán)形燃燒室，富氧空氣和煤油分別經(jīng)環(huán)縫和18個周向分布的噴嘴進入燃燒室，定義環(huán)縫的喉部面積與燃燒室面積之比為噴注面積比。他們研究了噴注面積比和當量比對旋轉爆震波傳播模態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)當量比在0.7～1.2時，旋轉爆震波存在單波和雙波對撞兩種傳播模態(tài)；減少噴注面積比可提高燃燒室壓力和爆震波速度，但雙波對撞模式的發(fā)生概率也會相應增大。

采用液態(tài)燃料時，額外的霧化、蒸發(fā)過程導致爆震波傳播模態(tài)更加復雜。 Han等^［¹⁴^］采用煤油和質量分數(shù)約42%的富氧空氣作為燃料和氧化劑，通過調節(jié)氧化劑流量將當量比范圍控制在0.6～1.1。經(jīng)20個周向分布的噴嘴霧化的煤油與同軸噴注的富氧空氣摻混后，通過收縮擴張通道進入燃燒室。他們研究了不同爆震波傳播模式下的流場特性。結果表明，雙波對撞模態(tài)中，存在寄生燃燒和共生燃燒等非爆震區(qū)域，流場結構復雜；而在單波模式中，爆震波結構簡單清晰，非爆震區(qū)域較小。相同來流條件下，與雙波對撞模態(tài)相比，單波模態(tài)的燃燒效率更高，速度虧損較小。同時，反應物質量流量提高改善了霧化條件，可爆當量比范圍擴大，爆震波逐漸從雙波對撞模態(tài)轉變?yōu)閱尾B(tài)。

上述研究多采用環(huán)形燃燒室，與環(huán)形燃燒室相比，空筒形燃燒室取消了燃燒室內柱，結構更為簡單。近年來，空筒形旋轉爆震燃燒室的研究越來越多。王致程等^［^63-64^］采用煤油和氧氣體積分數(shù)40%的富氧空氣作為燃料和氧化劑，對比了空筒形燃燒室和不同燃燒室高度的環(huán)形燃燒室中旋轉爆震波的傳播特性。在煤油流量20.5 g/s，氧化劑流量范圍為80～350 g/s的條件下，獲得了緩燃、準穩(wěn)定爆震、雙波對撞和穩(wěn)定爆震四種模態(tài)的燃燒波。認為在一定工況范圍內，提高燃燒室高度可產(chǎn)生更大回流區(qū)，促進了霧化和摻混過程，有利于煤油/富氧空氣旋轉爆震波的穩(wěn)定傳播。

爆震波的傳播不僅受到頭部噴注結構和燃燒室構型的影響，燃燒室出口和尾噴管同樣會改變原有流通能力，影響燃燒室上游流場和爆震波傳播模態(tài)，改變穩(wěn)定工作范圍。 Zhao等^［⁶⁵^］采用氧氣體積分數(shù)40%的富氧空氣作為氧化劑，采用空筒燃燒室構型，通過改變燃燒室出口收縮比和氧化劑的質量流量，實驗研究了出口收縮比對煤油旋轉爆震傳播特性的影響。結果表明，燃燒室出口收縮比顯著影響爆震波傳播模態(tài)。隨著收縮比的增加，燃燒室出口反射激波和室壓增高將影響氧化劑和燃料的填充，導致噴注壓降減小、摻混效果惡化。因此，使用較小收縮比的燃燒室時，更容易獲得穩(wěn)定的旋轉爆震波。燃燒室出口限流對反應物混合、起爆和爆震波傳播過程均有很大影響，應仔細設計燃燒室出口。

數(shù)值模擬方面，李寶星等^［^66-67^］采用二維時空守恒元與求解元（CE/SE）方法，分析了汽油/富氧空氣（氧氣質量分數(shù)40%）兩相旋轉爆震波傳播特性和環(huán)形燃燒室流場變化，對不同進氣總壓條件下發(fā)動機的出口參數(shù)和比沖進行了計算。結果表明，燃料以時段階梯式填充，可快速有效地形成單向穩(wěn)定傳播的爆震波。隨后，他們采用三維方法分析了流場在燃燒室徑向方向的變化以及發(fā)動機的推力^［⁶⁸^］。由于環(huán)形燃燒室外壁面的壓縮作用和內壁面的衍射膨脹作用，爆震波強度沿燃燒室徑向方向逐漸增強；在填充總壓為0.2 MPa、總溫288.15 K、燃料液滴半徑25 μm的條件下，不加裝噴管時計算所得平均推力約為880 N。徐高等^［⁶⁹^］考慮液體燃料霧化混合模擬了旋轉爆震波的傳播過程，氣相用連續(xù)相歐拉方程描述，采用CE/SE方法求解；液相用離散相拉格朗日方程描述，采用標準4階Runge-Kutta法求解，通過加速誘導分裂模型描述液體燃料的噴射霧化過程。在此基礎上，獲得了基于汽油/空氣的二維燃燒流場，對旋轉爆震波的形成過程和傳播特性進行了分析。研究表明，液態(tài)燃料填充具有不均勻性，導致爆震波強度和爆震波后的流場參數(shù)產(chǎn)生周期性波動，同時爆震波強度也會向上影響新鮮燃料和氧化劑的填充。 Han等^［¹⁴^］以某實驗室級別旋轉爆震燃燒室的1/4縮比尺寸進行物理模型簡化，模擬了旋轉爆震波的傳播過程。結果表明，爆震波傳播模態(tài)對燃燒效率有顯著影響，雖然爆震波速度和燃燒區(qū)域分布存在一定差異，但單波模態(tài)下的燃燒效率高于雙波對撞模態(tài)；即便反應物的質量流量相同，單波模式的燃燒效率也顯著高于雙波對撞模式。

2.3 空" 氣

空氣中氧氣的體積分數(shù)為21%，與氧氣或富氧空氣等高活性氧化劑相比，采用液體碳氫燃料時，常溫來流條件下實現(xiàn)旋轉爆震波起始和維持穩(wěn)定傳播的挑戰(zhàn)很大。已發(fā)表文獻中，采用常溫來流的液體燃料/空氣旋轉爆震研究較少。數(shù)值模擬方面， Hayashi等^［⁷⁰^］使用修正的Eulerian-Eulerian兩相方程和簡單的兩步化學反應機理，對JP-10/空氣兩相旋轉爆震波和淬熄機制進行了數(shù)值仿真研究。在液滴直徑范圍3～5 μm、當量比1.0條件下，計算得到的爆震波速度虧損約為5%。認為液滴粒徑對旋轉爆震波的穩(wěn)定傳播影響很大。

實現(xiàn)常溫空氣來流條件下的兩相爆震，需要采取一定措施，將燃料霧化后的粒徑降低至10 μm以下，才能實現(xiàn)與氣態(tài)燃料相當?shù)谋鹑紵Ч?sup>［²⁶^］。實驗方面，張三省^［⁷¹^］以優(yōu)化噴注結構設計，改善煤油霧化效果為切入點，設計了同軸氣液剪切噴注結構，獲得的煤油粒徑可達10 μm左右。基于常溫煤油/常溫空氣，在加裝收縮噴管的空筒形燃燒室中進行了不同當量比下的熱態(tài)實驗，得到了穩(wěn)定單波和雙波對撞模態(tài)的旋轉爆震波，如圖4所示。

3 常溫來流下燃料處理對旋轉爆震的影響

針對液體燃料難以起爆的問題，除了提高氧化劑含氧量、加溫等措施外，也可通過燃料處理來提高反應活性，具體包括摻氫（亦可為其他氣態(tài)燃料）、燃油高溫裂解和富燃燃燒等。

3.1 摻" 氫

Frolov等^［⁷²^］在外徑406 mm、燃燒室高度25 mm的環(huán)形燃燒室內首次實現(xiàn)了“氫氣-丙烷-空氣”三組元旋轉爆震燃燒。通過改變空氣供給壓力，先觸發(fā)氫氣/空氣混合物的旋轉爆震燃燒，隨后引入丙烷，氫氣在爆震波觸發(fā)后停止供給，丙烷/空氣旋轉爆震波仍可以在燃燒室內自持傳播一段時間。然而，氫氣的停供和丙烷供給壓力的提高均會造成爆震傳播速度降低，甚至爆震失效。 Kindracki^［73^］設計了帶凹腔環(huán)形燃燒室，采用煤油作為燃料，空氣作為氧化劑，通過添加氫氣或促爆劑硝酸異丙酯作為活性增強組分。空氣、煤油和氫氣分別通過環(huán)縫、 12個離心噴嘴和90個小孔進入燃燒室，同時對煤油和空氣進行加溫，成功獲得了旋轉爆震波，速度虧損約20%～25%。隨后，他們在原有燃燒室的基礎上，分別采用煤油、乙醇和正己烷三種液體燃料，采用空氣作為氧化劑，添加體積分數(shù)不超過10%的氫氣，實現(xiàn)了多種液體燃料的兩相爆震^［⁷⁴^］。然而，當氫氣停止供給后，各實驗工況均無法維持旋轉爆震燃燒。 Bykovskii等^［^{51， 75}^］基于環(huán)形燃燒室，改變空氣、煤油和氫氣的流量以及各組分比例，得到了1～5個傳播速度1 150～1 670 m/s的旋轉爆震波。實驗發(fā)現(xiàn)，環(huán)形燃燒室的起爆臨界直徑與燃料/氧化劑混合物的流量具有相關性，燃料中氫氣的含量對旋轉爆震波穩(wěn)定自持起決定作用。 Naour等^［⁷⁶^］采用液體煤油和氫氣作為燃料，在其設計的大尺寸旋轉爆震發(fā)動機上進行了實驗。實驗發(fā)現(xiàn)，由于周向噴注不均勻，當爆震波傳播至液體噴注段時存在較大速度虧損，速度降至1 000 m/s左右，傳播至氣體噴注段時速度恢復至1 250 m/s左右。

為了分析摻氫的影響，吳明亮等^［⁷⁷^］采用煤油和氫氣作為燃料，空氣作為氧化劑，進行了二維數(shù)值模擬，結果如圖5所示。氫氣占比的增加，可釋放大量熱量，加速煤油蒸發(fā)，提高爆震波傳播速度，同時促使爆震波由單波模態(tài)轉變?yōu)殡p波模態(tài)。 Huang等^［⁷⁸^］基于OpenFOAM平臺的rhoLRCentralFoam求解器，在二維煤油/空氣摻氫兩相旋轉爆震求解中，引入蒸發(fā)模型和曳力模型，進行了高精度數(shù)值模擬，得到了液滴軌跡。研究表明，兩相爆震波結構中存在蒸發(fā)波。液滴經(jīng)過前導激波后處于非平衡過熱狀態(tài)，隨后液滴經(jīng)過蒸發(fā)波迅速蒸發(fā)，產(chǎn)生的燃料蒸氣被點燃，形成兩道同時向上游和下游傳播的爆震波。當液滴完全蒸發(fā)并逐漸被點燃消耗后，蒸發(fā)波逐漸衰減。

盡管以氫氣為燃料的發(fā)動機具有高比沖和綠色無毒等優(yōu)勢，但其低密度、易逃逸、氫腐蝕等問題使其攜帶和儲存存在諸多限制。同時，額外的氫氣供給系統(tǒng)會增加供給系統(tǒng)的復雜性。

3.2 燃油高溫裂解

大分子液體碳氫燃料經(jīng)過高溫裂解或富油燃燒后，可轉變?yōu)樾》肿訜N類組分或富燃燃氣。不僅提高了反應活性，同時將原本的氣液兩相燃燒轉變?yōu)閮煞N氣相物質的燃燒，降低了旋轉爆震觸發(fā)的難度。

針對旋轉爆震燃燒室內煤油裂解氣和空氣的冷流摻混，陳昊等^［⁷⁹^］基于噴孔-環(huán)縫結構下的裂解氣冷態(tài)摻混過程，進行了二維數(shù)值模擬，分析了裂解氣噴注壓力、噴注位置和角度對燃燒室內冷態(tài)流場和可爆區(qū)域的影響。研究表明， Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性產(chǎn)生的大尺度湍流渦結構的卷帶作用是二者混合的主要機制，并且計算得到了煤油裂解氣/空氣一維爆震極限。王丹等^［⁸⁰^］建立了部分裂解燃油的化學反應模型，通過二維數(shù)值模擬研究了不同煤油裂解率下旋轉爆震的起爆和傳播過程。研究表明，裂解氣占比提高后，燃料活性提高，起爆難度降低，但同時易發(fā)生緩燃燃燒，影響爆震波的穩(wěn)定自持傳播。

Zhong等^［^81-82^］采用Jet-A和JP-10兩種標準煤油的裂解氣和富氧空氣進行了大量研究。在環(huán)形燃燒室頭部安裝預燃燒室，預燃燒室分為火焰筒和裂解室兩部分。在火焰筒中以化學恰當比組織煤油/空氣預燃燒，在裂解室二次噴注煤油，裂解后的煤油和富氧空氣分別經(jīng)噴孔和環(huán)縫進入旋轉爆震燃燒室。圍繞富氧空氣含氧量（氧氣體積分數(shù)分別為30%和50%）、氧化劑流量、環(huán)形燃燒室高度和氧化劑噴注環(huán)縫寬度等對旋轉爆震燃燒的影響開展了實驗。研究發(fā)現(xiàn)，提高富氧空氣的氧氣占比、增大流量或增加燃燒室高度均可以拓寬旋轉爆震的貧燃邊界。然而，對于環(huán)形燃燒室，燃燒室高度增加和氧化劑噴注環(huán)縫高度減小不利于旋轉爆震波的起始和穩(wěn)定傳播。

Han等^［^83-84^］采用煤油裂解氣和常溫空氣混合物進行了一系列實驗。預燃級煤油和氧氣分別通過頭部的煤油噴嘴和氧氣集氣腔進入預燃室，以化學恰當比燃燒。燃燒后的高溫燃氣在裂解室中將二次噴注的煤油裂解，產(chǎn)生煤油裂解氣。最后，空氣和煤油裂解氣經(jīng)環(huán)縫-噴孔結構進入旋轉爆震燃燒室。在當量比0.63～0.93范圍內，他們成功實現(xiàn)了旋轉爆震燃燒。研究了當量比、裂解氣溫度、氧氣質量分數(shù)、燃燒室高度和出口收斂段對旋轉爆震燃燒的影響，他們認為，提高含氧量、增大燃燒室高度和收斂段阻塞比、提高裂解氣流量和溫度均可以增大爆震波傳播速度。

3.3 富燃燃燒裂解

Zhong和Han等的方案均為預燃級以化學反應恰當比組織燃燒，產(chǎn)生高溫燃氣將二次噴注的煤油裂解。不同于上述方案，胡洪波等^［⁸⁵^］在燃氣發(fā)生器內組織煤油富燃燃燒，得到的富燃燃氣與氧化劑混合后，在環(huán)形燃燒室內組織旋轉爆震燃燒，實驗裝置見圖6。在余氣系數(shù)0.74～1.14范圍內，實現(xiàn)了煤油富燃燃氣/富氧空氣的旋轉爆震燃燒，氧氣質量分數(shù)最低可至29%。與常溫煤油/富氧空氣方案相比，采用煤油富燃燃氣方案，可在更低的氧含量下實現(xiàn)旋轉爆震燃燒。然而，在得到穩(wěn)定旋轉爆震波后，若將富氧空氣切換為空氣，爆震波無法自持傳播。 Han等^［⁸⁶^］采用煤油富燃燃氣/富氧空氣開展了實驗，獲得的爆震波傳播模態(tài)比較復雜，大多數(shù)工況下表現(xiàn)為爆震波在單波和雙波對撞模態(tài)之間轉換，僅在少數(shù)工況下獲得了穩(wěn)定的單波模態(tài)。在燃氣發(fā)生器的煤油流量、氧氣質量分數(shù)和當量比比分別為74.6 g/s、 44%和0.87時，獲得的旋轉爆震波最高速度為1 637.2 m/s。研究表明，提高氧化劑中氧含量、煤油質量流量和煤油富燃燃氣溫度均能提高旋轉爆震波傳播速度。同樣采用燃氣發(fā)生器，本團隊在混合比（煤油與氧氣質量之比）為1.96～4范圍內組織富燃燃燒，獲得的富燃燃氣與常溫空氣混合，在當量比0.6～0.9范圍內實現(xiàn)了單波模態(tài)的旋轉爆震，速度虧損小于10%。

4 高焓來流下的旋轉爆震燃燒組織

高焓狀態(tài)的來流空氣與液體燃料摻混時，燃料蒸發(fā)時間大幅縮短、霧化粒徑更小，有利于實現(xiàn)旋轉爆震。沖壓發(fā)動機或航空發(fā)動機加力燃燒室中，具備高焓來流條件，有利于液體燃料旋轉爆震燃燒組織。

4.1 空氣加溫

高溫來流下，液體燃料易蒸發(fā)，組織旋轉爆震相對容易。部分學者通過加溫空氣開展了汽油旋轉爆震燃燒研究。葛高楊等^［⁸⁷^］開展了以713 K的高溫空氣為氧化劑的兩相旋轉爆震實驗。高溫空氣和汽油分別經(jīng)環(huán)縫和36個霧化噴嘴進入環(huán)形旋轉爆震燃燒室對撞噴注。在當量比0.79～1.25內實現(xiàn)了旋轉爆震波的自持傳播，其中在當量比1.19附近得到的爆震波平均傳播速度最高為1 110.8 m/s，速度虧損約39%。 Ma等^［⁸⁸^］采用總溫600～800 K的空氣和常溫汽油，實現(xiàn)了旋轉爆震波的單波模態(tài)傳播，得到爆震波速度和峰值壓力變化。研究表明，空氣總溫過低時，難以觸發(fā)爆震；空氣總溫過高則容易發(fā)生提前緩燃，同樣導致爆震失效。在旋轉爆震自持傳播允許的空氣總溫范圍內，爆震波速度虧損隨空氣總溫的提高而減小，最小為30%。可見，速度虧損仍然較大。原因可能在于液體燃料的燃燒不充分，新鮮混合物的提前緩燃以及爆震波傳播過程中伴隨的寄生燃燒。

與汽油相比，煤油揮發(fā)性降低，起爆難度提高。 Xu等^［⁸⁹^］使用535～545 K的高溫空氣和常溫煤油，開展了部分預混的旋轉爆震實驗研究。基于流量函數(shù)和等效可用壓力提出了新的燃燒效率計算方法，相比于非預混工況，部分預混可拓寬燃燒范圍。然而，需要采取一定措施防止回火。 Zhou等^［⁹⁰^］采用煤油/高溫空氣（523～553 K），獲得了速度為1 033 m/s的旋轉爆震波，約為60%C-J速度。此外，他們采用等效可用壓力，研究了尾噴管出口和環(huán)形通道面積比（A8/A3.1）對燃燒室總壓增益的影響。研究表明，總壓增益隨A8/A3.1的減小近似線性增加，在A8/A3.1為0.87時得到最大總壓增益-15%。

采用空筒燃燒室構型，賈冰岳等^［⁴³^］在不同來流總溫條件下進行了實驗，結果證明來流總溫通過影響煤油的蒸發(fā)過程影響起爆時間。如圖7所示，在總溫高于673 K時，起爆時間小于10 ms。來流空氣總溫達到1 250 K時，煤油迅速蒸發(fā)，實現(xiàn)了穩(wěn)定旋轉爆震，平均波速1 610 m/s。

Cheng等^［⁹¹^］采用航空煤油和700 K的高溫空氣，在直徑500 mm、燃燒室高度40 mm和軸向長度600 mm的大尺寸燃燒室上開展了實驗研究。在當量比0.85～1.20范圍內獲得了以雙波對撞模態(tài)傳播的爆震波，速度為920～980 m/s，可見虧損較大。在已燃氣體中，各個檢測點的燃氣成分和局部當量比具有一定差異。他們認為，大尺寸旋轉爆震實驗中燃料供給壓力的不均勻導致局部當量比差異，燃燒不完全，可以通過多通道供油改善。爆震燃燒控制在當量比1附近時，既能保持較高的爆震波傳播速度，又能避免富油導致的燃燒不完全。 Lu等^［⁹²^］采用煤油/高溫空氣，在安裝多孔介質發(fā)汗冷卻裝置的環(huán)形旋轉爆震燃燒室中進行了實驗。來流空氣總溫加熱至700 K，使用水或煤油作為冷卻劑，冷卻劑通過壁面上的多孔介質滲入燃燒室，達到相變冷卻效果。采用水作為冷卻劑獲得了單波模態(tài)的旋轉爆震波，爆震波速為963～1 012 m/s，平均峰值壓力約0.6 MPa。采用煤油時冷卻性能有所降低，且冷卻煤油的滲入會影響燃燒室中旋轉爆震燃燒的組織，增加緩燃風險和積碳。

4.2 沖壓場景

在沖壓發(fā)動機中，空氣經(jīng)進氣道減速增壓后，通過隔離段進入燃燒室，來流溫度較高。液體燃料噴注進入高溫空氣中，迅速蒸發(fā)后完成混合，便于實現(xiàn)液體燃料旋轉爆震燃燒。

現(xiàn)有研究多通過提高空氣溫度和壓力來模擬飛行中的沖壓來流工況。需要指出，沖壓場景下，來流空氣速度快，需要設法延長可燃混合物在燃燒室中的駐留時間。 Meng等^［⁹³^］通過對空氣加溫至860 K，模擬高度20 km的馬赫數(shù) 4來流條件，在帶凹腔結構的環(huán)形燃燒室內開展了實驗。在當量比0.77～1.47內，實現(xiàn)了煤油/空氣旋轉爆震燃燒。測得的爆震波平均傳播速度約為理論值的60%。研究表明，受燃料液滴蒸發(fā)摻混所需的特征距離和高速來流等耦合影響，產(chǎn)生的旋轉爆震波位于燃燒室下游位置，與常溫低速來流條件下旋轉爆震波在燃燒室頭部傳播存在差異。 Feng等^［¹⁰^］在該構型基礎上，實驗研究了凹腔長度對沖壓旋轉爆震影響，認為凹腔可增強煤油/空氣的摻混，進一步提高可燃混合物溫度，有利于爆震波的觸發(fā)。

Wolanński等^［⁹⁴^］設計了一種適用于液體燃料的新型噴注系統(tǒng)。將加熱至約160 ℃的汽油或煤油與約100 ℃的加溫空氣預混，在高于富燃極限的工況下，將全部燃料提前蒸發(fā)，并通過90個周向分布的噴孔進入燃燒室，與100 ℃的主流空氣混合，使用火花塞即可實現(xiàn)起爆。最終實現(xiàn)了傳播速度最快1 045 m/s的汽油/空氣旋轉爆震燃燒。在Jet-A/空氣混合物中，實現(xiàn)了1 170 m/s的穩(wěn)定爆震，約為C-J速度的65%。 Li等^［⁹⁵^］在來流空氣流量1.15 kg/s、總溫620 K和當量比0.9的條件下，煤油通過240個噴孔的噴油環(huán)噴注，與軸向高速來流空氣剪切實現(xiàn)霧化摻混，在環(huán)形燃燒室中獲得了波速不低于1 500 m/s、峰值壓力0.3 MPa的穩(wěn)定旋轉爆震。

4.3 加力場景

燃氣渦輪發(fā)動機加力燃燒室中含氧量低、流速高，為提高燃燒效率，需要增加加力燃燒室長度。旋轉爆震傳播速度快、釋熱率高，有望在更短距離內實現(xiàn)高效燃燒，從而縮短加力燃燒室長度，降低冷態(tài)流阻、提高推重比。加力燃燒室的高溫來流有利于燃油的霧化蒸發(fā)，但加力燃燒室來流含氧量低、燃氣成分復雜，包括水蒸氣、 CO2等，使得低氧污染來流條件下的旋轉爆震燃燒組織存在很大挑戰(zhàn)。

性能分析方面，邱華和陳延波等^［^96-98^］對包含液體燃料摻混蒸發(fā)過程的二維、單波傳播模態(tài)流場進行熱力過程分析。以發(fā)動機循環(huán)分析方法計算了從進氣道、主燃燒室、渦輪、旋轉爆震燃燒室到尾噴管的截面參數(shù)，進而得到發(fā)動機性能。考慮爆震燃燒、爆震與斜激波耦合以及緩燃與斜激波耦合的熱力過程。研究認為，較高的渦輪前溫度不利于發(fā)動機工作范圍，該燃燒室更適合小型渦輪發(fā)動機。

實驗方面， Frolov等^［⁹⁹^］在TJ100S-125單軸小型渦噴發(fā)動機上加裝爆震加力燃燒室。主燃燒室在當量比4～6的富油工況下組織燃燒，通過在加力燃燒室入口處補氧，使加力來流達到與空氣含氧量相當水平，實現(xiàn)了軸向脈沖爆震模態(tài)和旋轉爆震模態(tài)，單波模態(tài)下旋轉爆震波傳播速度約1 000 m/s。他們認為，與傳統(tǒng)加力燃燒相比，在同樣的燃燒室室壓下，爆震加力的單位燃油消耗率可降低30%，單位推力和推力系數(shù)可增加30%。然而，主燃燒室富燃燃燒與實際發(fā)動機渦輪后燃氣條件不符，且獲得的爆震波速度較低，仍需進一步優(yōu)化。

Zhou等^［¹⁰⁰^］針對加力燃燒場景，采用環(huán)形燃燒室構型，研究了氧氣質量分數(shù)、來流溫度、當量比和噴管出口面積對低氧來流條件下的旋轉爆震波傳播特性的影響。采用酒精燃燒對空氣加溫，在燃燒室入口前補氧，以達到實驗所需的氧氣質量分數(shù)，摻混后的氧化劑經(jīng)環(huán)縫進入燃燒室。煤油通過燃燒室頭部周向均布的72個噴孔噴注，燃燒室出口安裝收縮段，獲得了高溫低氧來流下旋轉爆震工作邊界。研究表明，過低的氧氣質量分數(shù)會導致爆震轉變?yōu)榫徣蓟螯c火失敗；在加力燃燒室入口溫度分別為543 K， 653 K和794 K時，維持旋轉爆震穩(wěn)定傳播所需的氧氣質量分數(shù)下限分別為21.2%， 19.8%和18.9%；提高來流溫度或減小噴管出口面積比可降低來流含氧量下限，但溫度提高也降低了爆震波傳播的穩(wěn)定性；隨著來流含氧量下降，總壓和燃燒效率呈下降趨勢。

上述研究通過采用富燃燃氣，提高了主燃燒室出口的燃氣活性，降低了旋轉爆震的組織難度。然而，在實際燃氣渦輪發(fā)動機中，主燃燒室為全局貧油燃燒。另外，主燃燒室后的燃氣中含有的CO2和H2O等成分，對旋轉爆震起爆和傳播特性的影響有待進一步研究。楊璋^［¹⁰¹^］基于OpenFOAM開源計算平臺，在噴霧燃燒求解器基礎上嵌入WENO格式，構建了應用于兩相旋轉爆震燃燒的求解器，開展了面向加力來流的煤油直接噴注條件下的二維模擬。采用燃氣發(fā)生器模擬主燃燒室燃氣，燃氣進入旋轉爆震燃燒室再組織旋轉爆震。計算結果表明，液滴粒徑為10 μm，旋轉爆震燃燒室保持化學恰當比條件下，旋轉爆震波可實現(xiàn)穩(wěn)定傳播，對應的來流溫度和氧氣體積分數(shù)分別為576～1745 K和19%～8%。實驗方面，探索了加力場景下供給條件和燃燒室收縮比對旋轉爆震傳播特性的影響。采用乙烯/空氣燃氣發(fā)生器產(chǎn)生高溫燃氣，高溫燃氣與空氣混合后作為氧化劑，采用航空煤油作為燃料。加力燃燒室采用空筒構型，燃料和氧化劑分別通過周向分布的8個離心噴嘴和與其同軸的環(huán)縫供給。在來流溫度412～760 K，氧氣體積分數(shù)17.5%～20.1%范圍內，成功實現(xiàn)了低氧污染來流下的旋轉爆震波穩(wěn)定傳播。圖8為穩(wěn)定旋轉爆震波壓力波形局部放大圖，速度虧損低于15%。

5 存在的主要問題

實現(xiàn)液體碳氫燃料旋轉爆震發(fā)動機的應用，仍需解決降低噴注壓降、提高燃燒效率和高效熱防護等諸多難題。

液體燃料旋轉爆震的起爆和燃燒組織，要求在時間和空間強約束下實現(xiàn)高效霧化和摻混。當前研究中，多采用壓力霧化方式，例如直射式或離心式噴嘴，噴注壓降較高。特別是在常溫或來流溫度較低時，過高的噴注壓降導致燃燒室進出口總壓恢復系數(shù)較低，有悖于爆震可實現(xiàn)增壓的預期。如何在低噴注壓降下實現(xiàn)液體燃料的高效霧化和良好摻混，是后續(xù)研究中需要解決的難題之一。

通常認為，旋轉爆震可在更短的軸向燃燒室內組織燃燒，反應物駐留時間短，燃燒模態(tài)復雜多變，燃燒效率的提高面臨很大挑戰(zhàn)。然而，已有研究多聚焦于來流條件、噴注方式、點火方式、幾何構型等對起爆過程和傳播模態(tài)的影響，涉及燃燒效率的研究相對較少。在更緊湊的物理空間內，如何實現(xiàn)高效爆震燃燒，從而提高燃燒效率，需要重點關注。

旋轉爆震波傳播過程中，與壁面對流換熱強度高，相應部位的燃燒室壁面熱環(huán)境惡劣；激波對冷卻氣膜和冷卻氣出流存在干擾破壞，進一步加劇了熱防護的難度；周期性熱應力和熱量分布不均勻，導致材料熱疲勞；此外，為防止高溫壁面導致的熱自燃，壁面溫度控制的上限要求可能更苛刻。因此，旋轉爆震的長時間穩(wěn)定工作，需要解決高效熱防護的難題。

6 總結與展望

本文圍繞液體碳氫燃料兩相旋轉爆震燃燒的點火起爆，常溫來流條件下氧化劑、燃料預處理，以及高焓來流條件下沖壓和加力場景的旋轉爆震燃燒組織進行了梳理與總結：

（1）點火方式對旋轉爆震的觸發(fā)和穩(wěn)定傳播具有重要影響。火花塞點火常用于氣態(tài)燃料旋轉爆震，存在起爆成功率低、起爆時間長和爆震波傳播方向不易控制等問題。目前，多采用預爆管點火起爆液體燃料，可以有效提高起爆成功率和縮短起爆時間。針對預爆管混合物種類、安裝角度、安裝位置和幾何構型等方面已開展較系統(tǒng)研究。

（2）氧化劑含氧量通過影響化學反應速率影響旋轉爆震波的觸發(fā)和穩(wěn)定傳播。目前，為降低實現(xiàn)液體燃料旋轉爆震的難度，有學者采用富氧空氣開展了噴注條件和燃燒室構型等因素對旋轉爆震波觸發(fā)和傳播特性的影響研究。常溫來流條件下，已成功實現(xiàn)了液體燃料和空氣的旋轉爆震，但尚存在噴注壓降過大的問題。

（3）通過摻氫、高溫裂解或分級燃燒等燃料處理手段，可以降低液體燃料起爆和穩(wěn)定傳播的難度。燃料中氫氣占比的增加，可釋放大量熱量，加速液體燃料蒸發(fā)，提高爆震波傳播速度，同時影響旋轉爆震波傳播模態(tài)；通過對大分子液體碳氫燃料高溫裂解或富燃燃燒，將其轉變?yōu)樾》肿訜N類組分或富燃燃氣，可以提高混合物反應活性，將原本的氣液兩相爆震轉變?yōu)闅庀啾稹?研究表明，三種方式均已成功實現(xiàn)了旋轉爆震。

（4）高焓來流空氣可大幅縮短燃油蒸發(fā)時間，有利于實現(xiàn)旋轉爆震。對于沖壓場景，部分學者針對燃燒室凹腔結構和噴注結構等方面開展了較系統(tǒng)研究。加力場景下，針對帶旋轉爆震加力燃燒室的渦輪發(fā)動機，以及來流燃氣條件和加力燃燒室構型等方面已開展初步的性能分析、仿真和實驗研究，成功實現(xiàn)了低氧污染來流下的旋轉爆震波穩(wěn)定傳播。

需要指出，預爆管雖然有效提高了起爆成功率并縮短了起爆時間，但增加了供給系統(tǒng)的復雜性，針對具體需求進一步優(yōu)化點火起爆方式，實現(xiàn)兩相旋轉爆震波的高效可靠觸發(fā)，仍需進一步開展研究。如前文所述，常溫來流條件下，采用空氣為氧化劑時需重點解決降低噴注壓降的問題。燃料預處理可實現(xiàn)旋轉爆震燃燒，但摻氫增加了供給系統(tǒng)復雜性，燃油高溫裂解和富燃燃燒容易產(chǎn)生積碳；因此，在確保高效旋轉爆震燃燒的同時，需考慮簡化系統(tǒng)結構、減少積碳產(chǎn)生。對于沖壓場景，如何在短駐留時間約束下提高燃燒效率和火焰穩(wěn)定需要進一步研究；加力場景下，需要重點關注更低氧含量下的旋轉爆震燃燒組織以及壓力擾動對上游旋轉部件的影響。除上述問題外，需綜合考慮液體燃料旋轉爆震的應用場景，設法降低噴注壓降、提高燃燒效率和實現(xiàn)高效熱防護等，為旋轉爆震的應用夯實基礎。

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Yang Zhang. Investigations on the Propagation Characteristics of Rotating Detonation Waves in Low-Oxygen and Vitiated Conditions［D］. Xi’an： Northwestern Polytechnical University， 2024. （in Chinese）

Research Progress on Rotating Detonations of

Liquid Hydrocarbon Fuels

Wang Ke^{1， 2*}， Yu Xiaodong1， Zhang Zhenrui1， Fan Wei1

（1. School of Power and Energy， Northwestern Polytechnical University， Xi’an 710129， China；

2. Shaanxi Key Laboratory of Thermal Sciences in Aeroengine System，

Northwestern Polytechnical University， Xi’an 710129， China）

Abstract： Detonation waves propagate at velocities exceeding 1 000 m/s， enabling the reactants to complete reaction without significant expansion， thereby an isochoric combustion process can be achieved. Consequently， it has a great potential for enhancing thermodynamic cycle efficiency. As a feasible approach， rotating detonation has received extensive attentions in aerospace propulsion. This work analyses progresses in liquid-fueled rotating detonations， including the ignition and initiation process， the effects of oxidizer and fuel preprocessing on propagation the detonation wave under ambient temperature conditions， and the efforts of achieving rotating detonations in a ramjet and an afterburner under high-enthalpy inflow conditions. Finally， the prospects of utilizing rotating detonations for propulsion applications are discussed.

Key words： "rotating detonation； liquid fuel； detonation initiation； combustion organization

航空兵器2025年1期

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