固體沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)富燃燃?xì)庑D(zhuǎn)爆轟波傳播特性實(shí)驗(yàn)研究

摘 要：""""" 為了研究固體沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)富燃燃?xì)獾男D(zhuǎn)爆轟特性， 本文以CH4/CO/H2混合氣替代固體富燃燃?xì)庾鳛槿剂希?常溫空氣為氧化劑， 研究了混合氣的旋轉(zhuǎn)爆轟波傳播特性。" 實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明：" 混合氣質(zhì)量比為1∶4.4∶0.67， 質(zhì)量流量為54.5 g/s， 空氣質(zhì)量流量在370.9～782.3 g/s范圍內(nèi)， 能夠起爆形成穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)爆轟波。" 隨著空氣流量的增加， 旋轉(zhuǎn)爆轟傳播模態(tài)經(jīng)歷了單波、" 雙波對撞到四波對撞的變化過程。" 爆轟波傳播速度出現(xiàn)了先增大后減小的變化。" 空氣質(zhì)量流量為484.9 g/s， 當(dāng)量比為0.95時(shí)， 爆轟波速的最大值為1 167.8 m/s。

關(guān)鍵詞："""" 固體沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)；" 富燃燃?xì)猓? 混合氣；" 旋轉(zhuǎn)爆轟；" 傳播模態(tài)

中圖分類號(hào)：""" ""V231.2+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：""" A

文章編號(hào)：""" "1673-5048（2025）01-0014-09

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2024.0037

0 引" 言

固體燃料具有易儲(chǔ)存、" 運(yùn)輸方便、" 能量密度高等優(yōu)點(diǎn)， 在軍事領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。" 固體沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)^［1］采用貧氧固體燃料作為推進(jìn)劑， 其工作方式為推進(jìn)劑在燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)點(diǎn)火進(jìn)行一次燃燒， 燃燒后生成的固體富燃燃?xì)鈬娮⑦M(jìn)入燃燒室內(nèi)與來流空氣摻混并進(jìn)行二次燃燒。" 燃燒室內(nèi)燃燒后所產(chǎn)生的高溫氣體經(jīng)噴管加速膨脹后提供推力。" 固體沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃燒為常規(guī)的定壓燃燒， 要進(jìn)一步提升其性能較為困難。" 鑒于爆轟燃燒能大幅提升熱循環(huán)效率， 為了進(jìn)一步提高固體沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的性能， 將固體沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室替換為旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室（Rotating Detonation Combustor， RDC）， 形成一種基于固體沖壓的新型旋轉(zhuǎn)爆轟組合發(fā)動(dòng)機(jī)。

該組合發(fā)動(dòng)機(jī)以固體富燃燃?xì)鉃槿剂希?空氣為氧化劑， 混合物在燃燒室內(nèi)通過爆轟燃燒產(chǎn)生推力。" 由于旋轉(zhuǎn)爆轟波 （Rotating Detonation Wave， RDW）是一種由激波和燃燒反應(yīng)區(qū)耦合而成的燃燒波， 燃燒波傳播速度為千米每秒量級(jí)， 近似等容燃燒。" 組合發(fā)動(dòng)機(jī)具有放熱速率快、" 結(jié)構(gòu)簡單緊湊、" 推重比大、" 工作范圍寬等優(yōu)點(diǎn)^［2-3］。

研究人員對固體沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的摻混燃燒過程^［4-5］、" 燃燒室整體構(gòu)型^［6］、" 發(fā)動(dòng)機(jī)推力性能^［7-8］、" 噴注結(jié)構(gòu)^［9］、" 火焰穩(wěn)定性^［10］、" 富燃燃?xì)鈸交烊紵Ч?sup>［^11］以及發(fā)動(dòng)機(jī)性能的關(guān)鍵因素^［12］等方面開展了大量研究， 針對固體沖壓與旋轉(zhuǎn)爆轟組合發(fā)動(dòng)機(jī)的研究較少。

對于固體沖壓旋轉(zhuǎn)爆轟組合發(fā)動(dòng)機(jī)， 一次燃燒后的固體富燃燃?xì)獾男D(zhuǎn)爆轟起爆以及爆轟波穩(wěn)定傳播技術(shù)， 是發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作的關(guān)鍵。" 現(xiàn)有針對旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)（Rotating Detonation Engine， RDE）的研究大多采用氣態(tài)燃料H^［13-14］2、" C2H^［15-17］4或者液態(tài)燃料煤油^［18-19］。" 在固體燃料的旋轉(zhuǎn)爆轟方面， Xu等開展了在H2中添加煤粉的旋轉(zhuǎn)爆轟試驗(yàn)^［20］， 還比較了鋁粉/空氣與H2/空氣旋轉(zhuǎn)爆轟差異^［21］。" 在富燃燃?xì)庑D(zhuǎn)爆轟研究方面， Bai等對富燃燃?xì)獾男D(zhuǎn)爆轟進(jìn)行了深入研究， 開展了大量實(shí)驗(yàn)，" 研究了高溫富氫燃?xì)庑D(zhuǎn)爆轟波自起爆點(diǎn)火機(jī)理^［22-23］以及煤油富燃燃?xì)庑D(zhuǎn)爆轟波傳播特性^［24-25］。

固體富燃燃?xì)庥捎谄洚a(chǎn)生時(shí)反應(yīng)復(fù)雜， 含有多種氣態(tài)組分， 因此在研究其旋轉(zhuǎn)爆轟特性時(shí)， 選取其中主要燃料成分CH4/CO/H^［26］2， 組成混合氣， 替代原有的固體富燃燃?xì)膺M(jìn)行研究。" 在混合氣旋轉(zhuǎn)爆轟方面，" Zhong等^［27］進(jìn)行了C2H4/C2H2/H2混合氣旋轉(zhuǎn)爆轟實(shí)驗(yàn)， "發(fā)現(xiàn)隨著C2H2和H2組分比例增加會(huì)增加混合氣爆轟波穩(wěn)定工作范圍。" Xue等^［28］測試空氣噴注環(huán)縫寬度、" 燃燒室長度對CH4/CO/H2混合氣旋轉(zhuǎn)爆轟的影響， 爆轟波壓力隨著空氣噴注環(huán)縫寬度增加而增大。" Yang等^［29］開展了低當(dāng)量比下CH4/CO2/H2混合氣旋轉(zhuǎn)爆轟實(shí)驗(yàn)， 增加燃料流速可以降低稀薄燃料下的起爆延遲時(shí)間。" Wang等^［30］成功實(shí)現(xiàn)了摩爾比為9：" 16的CH4/C2H4在常溫空氣中旋轉(zhuǎn)爆轟。" Na等^［31］在H2/空氣旋轉(zhuǎn)爆轟中摻混CH4， 增加CH4會(huì)降低燃料反應(yīng)性， CH4體積分?jǐn)?shù)高于20%后將無法獲得穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)爆轟波。" Bykovskii等^［32］采用不同含量H2的CH4/H2混合氣與空氣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)爆轟， 發(fā)現(xiàn)H2含量降低， 爆轟波穩(wěn)定性減弱。" Zhou等^［33］對C2H4/C2H2/H2混合物進(jìn)行旋轉(zhuǎn)爆轟實(shí)驗(yàn)， 結(jié)果表明C2H4/C2H2/H2混合物形成爆轟波的當(dāng)量比范圍比相同質(zhì)量流量的H2燃料窄， 爆轟波頭高度與H2燃料相似。" Zhang^［34］對CH4/H2與O2爆轟極限進(jìn)行研究， 認(rèn)為單波模態(tài)是爆轟極限的獨(dú)特特征， 可以作為爆轟極限的定性標(biāo)準(zhǔn)。

本文針對貧氧混合狀態(tài)的丁羥（HTPB）和高氯酸銨（AP）推進(jìn)劑， 采用CH4/CO/H2混合氣體替代該貧氧固體燃料一次燃燒產(chǎn)物中的氣態(tài)組分， 對混合氣的旋轉(zhuǎn)爆轟波傳播特性、" 工作當(dāng)量比區(qū)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究， 所得結(jié)果可以為固體沖壓旋轉(zhuǎn)爆轟組合發(fā)動(dòng)機(jī)的研制提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與測控系統(tǒng)

混合氣旋轉(zhuǎn)爆轟實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示， 主要包括燃料/氧化劑供給系統(tǒng)、" 控制系統(tǒng)、" 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、" 熱射流點(diǎn)火起爆系統(tǒng)以及旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)等。" 燃料供給系統(tǒng)供應(yīng)CH4/CO/H2混合氣， 混合氣的種類和質(zhì)量比根據(jù)丁羥和高氯酸銨推進(jìn)劑燃燒后產(chǎn)生的富燃燃?xì)饨M分確定。" 固體推進(jìn)劑一次燃燒后主要產(chǎn)物及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示， 選取其中主要?dú)鈶B(tài)燃料組分CH4/CO/H2代替固體富燃燃?xì)饨M成混合氣， 三種燃料氣體質(zhì)量比為1∶4.4∶0.67。" 氧化劑供給系統(tǒng)為RDE提供常溫空氣。" 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括靜態(tài)壓力傳感器（PT301SW-5MPa）、" 高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器（PCB-113B24）以及渦輪流量計(jì)。

RDE由混合氣集氣腔①、" 空氣集氣腔②、" 噴注結(jié)構(gòu)以及旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室③組成。" RDC環(huán)形燃燒室內(nèi)徑和外徑分別為70 mm和110 mm， 寬度為20 mm， 長度為180 mm。在燃燒室出口位置設(shè)置有收斂段， 燃燒室出口寬度為8 mm， 阻塞比為0.55。" 混合氣和空氣采用非預(yù)混的噴注結(jié)構(gòu)， 其噴注結(jié)構(gòu)剖面示意圖如圖2所示。" 混合氣由均勻分布在內(nèi)壁面的120個(gè)1 mm圓形噴孔， 噴注進(jìn)入旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室。" 空氣通過環(huán)縫噴注進(jìn)入旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室， 噴注環(huán)縫采用收縮擴(kuò)張的拉瓦爾型流道， 減少爆轟反壓對氣體噴注的影響。" 根據(jù)空氣流量， 選擇1.5 mm寬度的空氣噴注環(huán)縫， 保證空氣的噴注壓力在有利于旋轉(zhuǎn)爆轟的范圍內(nèi)。" 實(shí)驗(yàn)采用氫/氧熱射流管進(jìn)行點(diǎn)火， 點(diǎn)火位置在紅色圓點(diǎn)處。

在熱射流管壁面安裝高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器（PCB0）， 在RDC外壁面安裝高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器（PCB1、 PCB2、 PCB3和PCB4）， 安裝位置如圖3所示。 PCB1～PCB3安裝在與點(diǎn)火位置平齊的圓周平面上， PCB4安裝在RDC出口方向與PCB1軸向距離30 mm的位置處， 實(shí)驗(yàn)中的采樣頻率為500 kHz。 在混合氣集氣腔、 空氣集氣腔以及RDC外壁面上各布置一個(gè)靜態(tài)壓力傳感器， 編號(hào)P1、 P2、 P3， 位置如圖1所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)研究了混合氣/常溫空氣的旋轉(zhuǎn)爆轟波傳播特性， 實(shí)驗(yàn)中保持混合氣質(zhì)量流量穩(wěn)定在54.5 g/s， 空氣的質(zhì)量流量范圍從188.7 g/s增加至906.8 g/s， 當(dāng)量比范圍從2.44減小至0.51。

2.1 旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程

對RDE的工作過程進(jìn)行分析， 實(shí)驗(yàn)裝置各腔室靜態(tài)壓力曲線如圖4所示。" 在1.1 s時(shí)刻， 空氣開始噴注， 空氣腔壓力迅速上升至3.8 bar后穩(wěn)定。" 在2.5 s時(shí)刻， 混合氣開始噴注， 混合氣腔壓力迅速上升至2.6 bar。" 待到空氣和混合氣腔室壓力穩(wěn)定后， 即燃料和氧化劑供應(yīng)穩(wěn)定， 達(dá)到RDC點(diǎn)火起爆條件。" 隨后熱射流管填充， 點(diǎn)火產(chǎn)生高溫高壓熱射流進(jìn)入RDC， RDC內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)爆轟波。" 在RDE工作時(shí)， RDC內(nèi)靜態(tài)壓力為2.4 bar， 此時(shí)由于爆轟反壓的影響， 混合氣集氣腔和空氣集氣腔壓力分別上升至3.1 bar和4 bar。" 在2.7 s時(shí)刻， 混合氣斷供， RDC熄爆， 空氣延遲3 s斷供， 進(jìn)行RDC內(nèi)殘余氣體吹掃， 實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

2.2 混合氣旋轉(zhuǎn)爆轟波傳播模態(tài)分析

表2所示為CH4/CO/H2混合氣與常溫空氣旋轉(zhuǎn)爆轟的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。" 實(shí)驗(yàn)中保持混合氣質(zhì)量流量穩(wěn)定， 改變空氣的質(zhì)量流量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)， 能夠在0.59～1.24的當(dāng)量比范圍內(nèi)起爆， 隨著當(dāng)量比的降低， 出現(xiàn)多種RDW傳播模態(tài)， 包括：" 穩(wěn)定單波（Single Rotating Detonation Wave， SRDW）、" 雙波對撞模態(tài)（Two-counter Rotating Detonation Waves， TCRDW）和四波對撞模態(tài)（Four-counter Rotating Detonation Waves， FCRDW）。" 下面將詳細(xì)分析不同傳播模態(tài)下旋轉(zhuǎn)爆轟的特性。

2.2.1 單波模態(tài)分析

在0.95～1.24當(dāng)量比范圍內(nèi)， 即空氣流量在370.9～484.9 g/s范圍內(nèi)時(shí)， RDW以單波模態(tài)傳播。" 下面以工況9為例對混合氣旋轉(zhuǎn)爆轟波的傳播過程進(jìn)行分析。" 混合氣質(zhì)量流量為54.5 g/s， 空氣質(zhì)量流量為484.9 g/s， PCB1所采集到的動(dòng)態(tài)壓力曲線如圖5所示。

對PCB1壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform， FFT）和短時(shí)傅里葉變換（Short Time Fourier Transform， STFT）所得到的頻域分析圖如圖6所示， 取樣時(shí)間長度為RDC工作全程。" 從圖6（a）中可以看出旋轉(zhuǎn)爆轟波在RDC內(nèi)傳播的主頻為3 381 Hz。" 依據(jù)式（1）可以計(jì)算出爆轟波傳播的平均速度為1 167.8 m/s， 其中f為主頻， D為RDC外徑。" 通過CEA軟件計(jì)算此工況下的理論C-J速度為1 815.8 m/s， 實(shí)驗(yàn)獲得的波速為理論值的64.3%。" RDW波速較低的原因， 其一是由于混合氣組分中含有不易起爆的CH4， 其二是因?yàn)榛旌蠚馀c空氣在RDC內(nèi)摻混不均勻造成爆轟波速度損失。" 由圖6（b）可知， RDW全程以3 358 Hz的頻率傳播， 直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)， 在2.7 s后， 由于混合氣斷供導(dǎo)致傳播頻率下降。

v-=πDf（1）

在此工況條件下， RDW全程以單波模態(tài)傳播。" 圖7所示為2 420.5～2 422.5 ms時(shí)間內(nèi)PCB1、" PCB2和PCB3的壓力曲線。" 可以看出， 在一個(gè)周期內(nèi)RDW依次經(jīng)過PCB1、" PCB2和PCB3， 最終回到PCB1位置處。" 沿RDC出口方向觀測， RDW沿逆時(shí)針方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)傳播。" 旋轉(zhuǎn)爆轟波連續(xù)傳播四個(gè)周期經(jīng)歷的時(shí)間t1～t4分別是：" 294 μs、" 292 μs、" 294 μs和296 μs， 依據(jù)式（2）可分別計(jì)算出旋轉(zhuǎn)爆轟波每一周期的傳播速度分別為1 174.5 m/s、" 1 182.9 m/s、 "1 174.8 m/s和1 166.9 m/s， 其中ti為爆轟波傳播每一周期的時(shí)間。" 綜合FFT結(jié)果以及PCB壓力曲線進(jìn)行分析可知RDW傳播模態(tài)為單波。

vi=πDti（2）

圖8為2 420～2 424 ms時(shí)間內(nèi)PCB1、" PCB2和PCB3的壓力曲線。" 從圖中可以觀察到在2 420.652～2 423.590 ms時(shí)間內(nèi)， 爆轟波在RDC內(nèi)傳播了10個(gè)周期， 用時(shí)2.938 ms。" 根據(jù)旋轉(zhuǎn)爆轟波旋轉(zhuǎn)傳播10個(gè)周期所用時(shí)間和長度， 根據(jù)式（3）可求出旋轉(zhuǎn)爆轟波傳播的平均速度為1 175.6 m/s， 式中Δt為爆轟波傳播n個(gè)周期所用時(shí)間。

v-=nπDΔt （3）

RDC工作過程中2 420～2 430 ms的動(dòng)態(tài)圧力曲線、" 壓力峰值點(diǎn)和旋轉(zhuǎn)爆轟波速曲線如圖9所示。" 對動(dòng)態(tài)壓力曲線進(jìn)行峰值挑點(diǎn)， 能得到壓力峰值點(diǎn)， 該點(diǎn)所示壓力值即為旋轉(zhuǎn)爆轟波的壓力值， 壓力值波動(dòng)范圍為3.6～8.6 bar。" 根據(jù)兩個(gè)峰值點(diǎn)之間的時(shí)間差依據(jù)式（2）可以算出旋轉(zhuǎn)爆轟波傳播每周的速度， 爆轟波速度在1 107.1～1 224.8 m/s范圍內(nèi)波動(dòng)。

2.2.2 雙波對撞模態(tài)分析

混合氣質(zhì)量流量為54.5 g/s， 空氣質(zhì)量流量為534 g/s， 當(dāng)量比為0.86， RDW以雙波對撞模態(tài)傳播。" 下面以工況10為例對雙波對撞模態(tài)下混合氣旋轉(zhuǎn)爆轟波的傳播過程進(jìn)行分析。 PCB1所采集到的動(dòng)態(tài)壓力曲線如圖10所示。

對PCB1壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后所得到的頻域分析圖， 如圖11所示。" 雙波對撞模態(tài)中， 旋轉(zhuǎn)爆轟波傳播的主頻為3 262 Hz， 波速為1 126.7 m/s， 達(dá)到了理論波速的63.2%。

在雙波對撞模態(tài)中， RDC內(nèi)存在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)爆轟波， 兩個(gè)波相向傳播， 在每一周期內(nèi)相撞兩次。" 圖12（a）所示為雙波對撞模態(tài)的PCB壓力曲線， 以一個(gè)對撞周期分析旋轉(zhuǎn)爆轟波的傳播過程， 其傳播過程如圖12（b）所示。" 在2 342.1 ms時(shí)刻， PCB1和PCB3同時(shí)采集到2.6 bar和1.1 bar的峰值壓力信號(hào)， 此時(shí)為RDWA1和RDWB1同時(shí)分別經(jīng)過兩個(gè)PCB。nbsp; 隨后， PCB2依次采集到兩個(gè)壓力峰值， 分別為3.3 bar和3.5 bar。" 這兩個(gè)壓力峰分別是RDWB沿順時(shí)針方向傳播60°和RDWA沿逆時(shí)針方向傳播120°經(jīng)過PCB2位置處所產(chǎn)生的。" 在2 342.2 ms時(shí)刻， CB1和PCB3同時(shí)采集到2.7 bar和1.5 bar的峰值壓力信號(hào)， 此時(shí)RDWA3經(jīng)過PCB3位置處和RDWB3經(jīng)過PCB1位置處。" 兩個(gè)爆轟波在RDC內(nèi)傳播了半個(gè)周期， 于90°位置處對撞。" 爆轟波對撞過程中， 兩個(gè)爆轟波波頭的前導(dǎo)激波分別透射進(jìn)入對向波的爆轟產(chǎn)物區(qū)， 此時(shí)的兩個(gè)爆轟波均衰減為透射激波， 波速和壓力也會(huì)相應(yīng)減弱。" 對撞之后， 兩個(gè)透射激波依然按照原傳播方向傳播。" 隨著爆轟反應(yīng)產(chǎn)物外排， 新鮮可燃工質(zhì)進(jìn)入RDC， 在原爆轟產(chǎn)物的溫度和透射激波的共同作用下， 透射激波迅速重新增強(qiáng)形成旋轉(zhuǎn)爆轟波。" 在下半個(gè)周期內(nèi)， PCB2沒有采集到壓力峰， 兩個(gè)爆轟波在270°位置處對撞。" 隨后兩個(gè)爆轟波再次分別經(jīng)過0°和180°位置處， 雙波對撞模態(tài)的一個(gè)周期傳播結(jié)束。" 根據(jù)爆轟波旋轉(zhuǎn)一個(gè)周期的時(shí)間306 μs， 依據(jù)式（2）可計(jì)算旋轉(zhuǎn)爆轟波的傳播速度為1 128.8 m/s， 與上文通過主頻算出的波速相吻合。

2.2.3 四波對撞模態(tài)分析

在0.59～0.75的當(dāng)量比范圍內(nèi)， 即空氣流量在613.1～782.3 g/s范圍內(nèi)時(shí)， RDW以四波對撞模態(tài)傳播。" 下面以工況12為例對混合氣旋轉(zhuǎn)爆轟波的傳播過程進(jìn)行分析。" 混合氣質(zhì)量流量為54.5 g/s， 空氣質(zhì)量流量為656 g/s， PCB1所采集到的動(dòng)態(tài)壓力曲線如圖13所示。

圖14為對PCB1壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后所得到的頻域分析圖， 取樣時(shí)間長度為RDC工作全程。" RDW傳播的主頻為5 490 Hz， 全程大部分時(shí)間以5 490 Hz的頻率傳播， 由于此處主頻接近于前文所述單波傳播模態(tài)主頻的二倍， 結(jié)合PCB壓力曲線可以分析得出RDW以四波對撞模態(tài)傳播。" 依據(jù)式（4）可以計(jì)算出爆轟波傳播的平均速度為948.1 m/s， 達(dá)到了理論波速的55.6%。

v-=πDf2 （4）

四波對撞傳播模態(tài)中2 387～2 388 ms的PCB采集到的壓力曲線如圖15（a）所示。" 在2 387.24 ms時(shí)刻， PCB1和PCB3分別采集到5.5 bar和2.5 bar的壓力， 說明此時(shí)RDWA1和RDWB2同時(shí)經(jīng)過兩個(gè)PCB， RDC的0°和180°位置， 如圖15（b）所示。" 隨后在2 387.3 ms時(shí)刻， PCB2采集到3.4 bar的壓力， 此時(shí)是RDWB2經(jīng)過120°位置處。" 在2 387.36 ms時(shí)刻， PCB2采集到2.8 bar的壓力， 此時(shí)是RDWA2經(jīng)過120°位置處。" 在2" 387.42" ms時(shí)刻，" RDWA3和RDWB3又一次的同時(shí)經(jīng)過兩個(gè)PCB， 只不過此時(shí)RDWA3在180°位置處， 而RDWB3在0°位置處。" 到此時(shí)為止RDWA和RDWB只傳播了半個(gè)周期， 在下半個(gè)周期中RDWA和RDWB在180°至360°范圍內(nèi)傳播。" 在此時(shí)間段內(nèi)PCB2依然采集到了兩個(gè)壓力峰值， 這也就證明RDC內(nèi)還存在兩個(gè)RDW， 即RDWC和RDWD。" 這也就證明了5 490 Hz的頻率是由四波對撞產(chǎn)生的而非雙波同向。" 旋轉(zhuǎn)爆轟波在四波對撞模態(tài)下傳播一個(gè)周期用時(shí)366 μs， 經(jīng)過計(jì)算可知RDW傳播的速度為943.7 m/s， 與上文通過主頻算出的波速相吻合。" 爆轟波波頭數(shù)目的增加能夠改善RDC流場的穩(wěn)定性， 增強(qiáng)推力的穩(wěn)定性， 但是對推力性能幾乎沒有影響^［35］。" 但是在波頭數(shù)目相同的情況下， 對撞模態(tài)所產(chǎn)生的推力性能顯著低于同向傳播模態(tài)。" 因此在工程應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)盡量實(shí)現(xiàn)多波同向的傳播模態(tài)。

2.3 混合氣旋轉(zhuǎn)爆轟波傳播特性分析

對工況7～9的爆轟波傳播特性進(jìn)行詳細(xì)分析， 對PCB壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行峰值挑點(diǎn)后可以得到爆轟波的壓力值。" 對爆轟波傳播的速度和壓力求變異系數(shù)， 即可得到爆轟波傳播的穩(wěn)定性。" 變異系反映數(shù)據(jù)的離散程度， 其數(shù)值大小能夠評(píng)判RDW傳播的穩(wěn)定性， 數(shù)值越小說明RDW傳播的穩(wěn)定性越高。" 圖16～18為工況7～9的爆轟波傳播的速度和壓力隨時(shí)間的變化， 同時(shí)得出了速度和壓力的變異系數(shù)值。" 對爆轟波傳播每一周期的速度和壓力求均值即可得到波速和壓力的均值。" 工況7～9中， 混合氣質(zhì)量流量穩(wěn)定在54.5 g/s， 空氣流量從370.9 g/s增加至484.9 g/s。" 隨著空氣質(zhì)量流量增加， 爆轟波傳播速度隨之從1 087.2 m/s增加至1 155.2 m/s。" 變異系數(shù)值在工況9時(shí)最小， 此時(shí)的爆轟波傳播的速度最穩(wěn)定。" 峰值壓力隨著空氣流量的增加， 分別為5.2 bar、" 5.5 bar和5.1 bar。" 壓力的最高值出現(xiàn)在工況8中， 空氣流量為420 g/s。 同時(shí)， 此工況壓力也是最穩(wěn)定的，" 變異系數(shù)為0.286。

對PCB壓力信號(hào)進(jìn)行FFT分析處理， 取RDW傳播的主頻作為RDW波速計(jì)算的依據(jù)， 得出不同燃燒室結(jié)構(gòu)下的RDW波速， 如圖19所示。 "隨著空氣質(zhì)量流量從370.9 g/s增加至782.3 g/s， 當(dāng)量比從1.24降低至0.59。" 爆轟波傳播模態(tài)經(jīng)歷了單波、" 雙波對撞和四波對撞的變化。" 爆轟波傳播速度經(jīng)歷了先增大后減小的變化， 速度的最大值出現(xiàn)在當(dāng)量比為0.95、" 傳播模態(tài)為單波的工況條件下。" 此后， 空氣流量繼續(xù)增加， 出現(xiàn)了波頭數(shù)目增加、" 傳播速度降低的現(xiàn)象。" 空氣的流量增加導(dǎo)致總質(zhì)量流量增加， 促進(jìn)旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室內(nèi)多個(gè)熱點(diǎn)的形成， 進(jìn)而發(fā)展成多個(gè)穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)爆轟波。" 同時(shí)， 由于燃燒室尾部存在收斂段， 此處的高阻塞比會(huì)在燃燒室尾部阻礙燃燒產(chǎn)物排出， 燃燒產(chǎn)物會(huì)影響上游旋轉(zhuǎn)爆轟波的傳播過程。" 同時(shí)， 阻塞比的存在， 會(huì)使燃燒室末端產(chǎn)生反射激波， 促進(jìn)熱產(chǎn)物與新鮮反應(yīng)物的接觸燃燒， 誘導(dǎo)產(chǎn)生另一個(gè)波頭。" 反射的斜激波在促進(jìn)多波頭的產(chǎn)生方面起到了重要作用。" 在反射激波和空氣質(zhì)量流量增加的共同作用下， 促進(jìn)了多波頭的產(chǎn)生， 這就是多波模態(tài)產(chǎn)生的原因。

圖20分析了混合氣以及組成混合氣的三種燃料氣體在同一當(dāng)量比下各自的理論波速。" 能夠看到隨著當(dāng)量比從0.51增加至2.44， CH4、" CO和混合氣的爆轟波波速均呈現(xiàn)先上升后下降的規(guī)律， 而H2則表現(xiàn)出一直上升的狀態(tài)。" 這其中CH4的波速和混合氣波速在上升階段較為相似， 在達(dá)到頂峰后逐漸出現(xiàn)了差異。" 混合氣的波速從1 554.6 m/s增加至1 894.6 m/s， 后降低至1 861.4 m/s， 最高波速出現(xiàn)在了當(dāng)量比為1.64時(shí)。" CH4的波速從1 495.1 m/s增加至1 832.6 m/s， 后降低至1 646.9 m/s， 最高波速出現(xiàn)在了當(dāng)量比為1.24時(shí)。" CO的波速從1 526.5 m/s增加至1 688.1 m/s， 后降低至1 634.4 m/s， 最高波速出現(xiàn)在了當(dāng)量比為1.48時(shí)。" 而H2的波速則一直從1613.7m/s增加至2177.2m/s。" 從整體來看， CO的波速低于CH4的波速， 二者均低于混合氣， 而H2則高于混合氣。" 由此可以看出，" H2在混合氣的旋轉(zhuǎn)爆轟中起到了積極的作用， 促進(jìn)了燃燒的進(jìn)行， H2含量增加， 有利于爆轟波的穩(wěn)定傳播^［27］。" CH4作為一種較難起爆的碳?xì)淙剂希?在混合氣中起到了增加起爆難度的作用， CH4體積濃度過高， 會(huì)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)爆轟失敗^［31］。" 大多研究采用CH4和O2作為燃料和氧化劑^［36］， 或采用空桶型旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)^［37］。" 而CO作為一種碳?xì)淙剂媳Z反應(yīng)的中間產(chǎn)物， 其濃度較小時(shí)， CO在反應(yīng)中表現(xiàn)為惰性氣體， 混合物CO濃度較高， CO反應(yīng)進(jìn)程開始與氫反應(yīng)進(jìn)程之間產(chǎn)生競爭^［38］。" 其作為燃料時(shí)形成的爆轟波波速較低。" 綜上所述， 混合氣融合了各種氣體， 其整體旋轉(zhuǎn)爆轟特性受到各組分氣體在旋轉(zhuǎn)爆轟過程中的相互影響。

3 結(jié)" 論

本文采用質(zhì)量比為1∶4.4∶0.67的CH4/CO/H2混合氣作為旋轉(zhuǎn)爆轟的燃料， 常溫空氣為氧化劑， 研究了空氣質(zhì)量流量對混合氣旋轉(zhuǎn)爆轟波傳播特性的影響， 得到爆轟波傳播模態(tài)和傳播速度的變化規(guī)律。" 主要結(jié)論如下：

（1） 混合氣質(zhì)量流量為54.5 g/s， 空氣質(zhì)量流量在370.9～782.3 g/s范圍內(nèi)， 當(dāng)量比在0.59～1.24范圍內(nèi)時(shí)， RDC能夠起爆形成穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)爆轟波。" 隨著空氣流量的增加， RDW傳播模態(tài)經(jīng)歷了單波、" 雙波對撞到四波對撞的變化過程。" 經(jīng)過分析， 波頭數(shù)目增加是由空氣流量增加和燃燒室出口阻塞比所共同導(dǎo)致的。

（2） 隨著空氣質(zhì)量流量的增加， 爆轟波傳播速度出現(xiàn)了先增大后減小的變化。" 波速的最大值出現(xiàn)在當(dāng)量比為0.95， 空氣質(zhì)量流量為484.9 g/s的工況條件下， 最大速度為1 167.8 m/s。" 在此之后， 空氣流量的增加導(dǎo)致爆轟波波頭數(shù)目的增加， 爆轟波波速出現(xiàn)下降的趨勢。" 在單波模態(tài)中， 波速最穩(wěn)定的工況同時(shí)也是波速最高的工況。" 爆轟波平均壓力最大值為5.5 bar， 在空氣流量為420 g/s獲得， 此時(shí)壓力也是最穩(wěn)定的。

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Experimental Study on the Propagation Characteristics of Rotating

Detonation Wave with Rich Combustion Gas in Solid Ram Engine

Weng Chunsheng， Han Jiaxiang*， Bai Qiaodong， Liu Zhuyong， Zheng Quan

（National Key Laboratory of Transient Physics， Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094， China）

Abstract： In order to study the rotational detonation characteristics of rich combustion gas in solid ramjet engines， this paper replaces solid rich combustion gas with CH4/CO/H2 mixture as fuel and uses ambient temperature air as oxidant to investigate the propagation characteristics of rotational detonation waves in the mixture. The experimental research results show that a mixture mass ratio of 1∶4.4∶0.67， a mass flow rate of 54.5 g/s， and an air mass flow rate ranging from 370.9 g/s to 782.3 g/s can detonate and form stable rotating detonation waves. With the increase of air flow， the propagation mode of rotating detonation undergoes a process of single wave， double wave collision to four wave collision. The propagation speed of the detonation wave showed a change of first increasing and then decreasing. When the air mass flow rate is 484.9 g/s and the equivalence ratio is 0.95， the maximum detonation velocity is 1 167.8 m/s.

Key words： "solid ramjet engines；" rich combustion gas； "mixture；" rotational detonation；" propagation mode