袁雪強(qiáng)，蔣露欣，張 多，劉世杰

(國(guó)防科技大學(xué) 高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410073)

0 引言

爆震燃燒作為一種近似于等容燃燒的燃燒形式，具有能量釋放速率快、熱力循環(huán)效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此以爆震燃燒為動(dòng)力的爆震發(fā)動(dòng)機(jī)在高超聲速推進(jìn)領(lǐng)域中有很好的應(yīng)用前景。其中，旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)(rotating detonation engine，RDE)是爆震波以旋轉(zhuǎn)形式傳播為特點(diǎn)的動(dòng)力裝置，這種發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室通常采用環(huán)形通道結(jié)構(gòu)，爆震波在環(huán)形燃燒室內(nèi)沿周向旋轉(zhuǎn)傳播，形成的高溫氣體產(chǎn)物通過(guò)尾噴管排出從而產(chǎn)生推力。旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕等優(yōu)勢(shì)，并利用爆震波傳播速度快的特點(diǎn)，可通過(guò)一次點(diǎn)火使發(fā)動(dòng)機(jī)的工作頻率達(dá)到數(shù)千赫茲，從而形成近乎連續(xù)的推力，因此是目前最有可能實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用的爆震發(fā)動(dòng)機(jī)形式。對(duì)于旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)而言，環(huán)形燃燒室徑向尺寸的改變會(huì)顯著影響爆震波的傳播模態(tài)、傳播頻率以及波頭高度等參數(shù)，是影響其推力性能的關(guān)鍵因素之一。為了深入探究徑向尺寸對(duì)爆震波傳播的影響機(jī)制，可將爆震波沿周向的旋轉(zhuǎn)傳播近似看作靜止氣體爆震波在環(huán)形通道內(nèi)的傳播過(guò)程，通過(guò)研究環(huán)形通道內(nèi)爆震波的傳播過(guò)程，可為旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)形燃燒室的設(shè)計(jì)提供有力指導(dǎo)。

目前有關(guān)爆震波通過(guò)環(huán)形通道傳播過(guò)程的研究表明，受到內(nèi)外壁面的共同影響，爆震波在環(huán)形通道內(nèi)表現(xiàn)出多種不同的傳播模式。Thomas等最早通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了爆震波能夠在環(huán)形通道中穩(wěn)定地傳播，但同時(shí)也可能形成爆震波解耦和再起爆交替產(chǎn)生的不穩(wěn)定傳播。Lee等的仿真研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)通道的曲率半徑小于某個(gè)臨界值時(shí)，爆震波表現(xiàn)為類(lèi)似于單頭螺旋爆震的不穩(wěn)定傳播模式，而當(dāng)曲率半徑大于該臨界值時(shí)，爆震波能夠保持原有的橫波結(jié)構(gòu)穩(wěn)定地傳播。Kudo等通過(guò)試驗(yàn)觀測(cè)將爆震波的傳播模式按照波面是否發(fā)生解耦劃分為不穩(wěn)定傳播和穩(wěn)定傳播模式，并在對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后得到了兩種傳播模式發(fā)生轉(zhuǎn)換的內(nèi)壁面臨界曲率半徑。Nakayama等則基于Kudo的研究成果，研究將爆震波的傳播模式細(xì)分為不穩(wěn)定傳播模式、過(guò)渡傳播模式和穩(wěn)定傳播模式，并統(tǒng)計(jì)得到了3種模式之間發(fā)生相互轉(zhuǎn)換的內(nèi)壁面臨界曲率半徑分別為14

λ

和23

λ

，其中

λ

為爆震胞格寬度。Pan等使用螺旋扁平方管對(duì)環(huán)形通道中爆震波的傳播實(shí)現(xiàn)了更為全面的觀測(cè)，所得結(jié)果與Nakayama的研究相似，同時(shí)還得到了形成爆震的極限曲率半徑在2.6

λ

到4.8

λ

之間。Sugiyama等和Yuan等分別使用兩步反應(yīng)和詳細(xì)反應(yīng)模型對(duì)不同曲率半徑與通道寬度比的環(huán)形通道下爆震波的傳播過(guò)程進(jìn)行了仿真，并運(yùn)用曲面爆震理論探討了傳播模式之間轉(zhuǎn)換的臨界條件。Short等和Xia等則在研究中發(fā)現(xiàn)了多種新的傳播模式，包括爆震波部分解耦后又恢復(fù)穩(wěn)定的不穩(wěn)定傳播模式以及曲面爆震波與馬赫干共同存在的穩(wěn)定傳播模式。

從目前的相關(guān)研究來(lái)看，現(xiàn)有對(duì)環(huán)形通道內(nèi)爆震波的傳播模式的劃分方式較為簡(jiǎn)單，其本質(zhì)上只考慮了內(nèi)壁面的爆震波衍射是否會(huì)使爆震波面發(fā)生解耦，無(wú)法全面體現(xiàn)爆震波受環(huán)形通道內(nèi)外壁面影響下的傳播特性，因此需建立更為詳細(xì)的劃分方法?；谏鲜鰡?wèn)題，本文對(duì)爆震波通過(guò)環(huán)形通道的傳播現(xiàn)象進(jìn)行了試驗(yàn)觀測(cè)及分析，對(duì)環(huán)形通道內(nèi)爆震波的傳播模式進(jìn)行了更為系統(tǒng)詳細(xì)的劃分，并依次分析了各傳播模式的形成機(jī)制、波系結(jié)構(gòu)及速度特性，獲得了各參數(shù)對(duì)傳播模式分布的影響規(guī)律，所得結(jié)果可為環(huán)形燃燒室設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及觀測(cè)方法

本文的試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由點(diǎn)火裝置、爆震管和供氣系統(tǒng)3部分組成，其基本的工作過(guò)程為通過(guò)供氣系統(tǒng)對(duì)爆震管內(nèi)的氣體進(jìn)行抽吸，并充入試驗(yàn)用的預(yù)混氣，而后通過(guò)點(diǎn)火裝置點(diǎn)燃預(yù)混氣，點(diǎn)燃后的氣體在爆震管中發(fā)展為爆震波，并在試驗(yàn)段中通過(guò)觀測(cè)設(shè)備進(jìn)行觀測(cè)，最后從爆震管出口排出。

圖1 彎曲爆震管試驗(yàn)系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Schematic of curved detonation tube experiment system

彎曲爆震管結(jié)構(gòu)如圖2所示。整個(gè)爆震管可分為起爆段、過(guò)渡段、穩(wěn)定段、試驗(yàn)段和出口段，起爆段采用內(nèi)徑為20 mm的圓形直管，其前端安裝點(diǎn)火用的火花塞，后端連接過(guò)渡段，兩側(cè)分別開(kāi)孔并與進(jìn)氣和排氣的管道相連。為了增加流場(chǎng)中的擾動(dòng)，加速實(shí)現(xiàn)爆燃向爆震轉(zhuǎn)變的過(guò)程，在起爆段內(nèi)安裝了一段長(zhǎng)度為400 mm的螺旋狀金屬擾流絲。過(guò)渡段為擴(kuò)張角較小的平滑擴(kuò)張構(gòu)型，以確保爆震波在傳入穩(wěn)定段的過(guò)程中不發(fā)生熄滅。穩(wěn)定段由截面尺寸為156 mm×20 mm，長(zhǎng)度為800 mm的兩段方形直管連接而成，用于使爆震波在進(jìn)入試驗(yàn)段之前得到充分發(fā)展并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定傳播，其中靠近試驗(yàn)段的部分內(nèi)部可安裝長(zhǎng)條插塊，以改變爆震波進(jìn)入試驗(yàn)段時(shí)的通道高度。試驗(yàn)段為內(nèi)部可以安裝插塊的方形箱體結(jié)構(gòu)，通過(guò)更換內(nèi)部的插塊來(lái)改變通道構(gòu)型，其框架尺寸為280 mm×280 mm×82 mm，左側(cè)和頂部分別與穩(wěn)定段和出口段相連。插塊通過(guò)螺絲固定，再通過(guò)觀測(cè)玻璃蓋板進(jìn)行密封。玻璃蓋板內(nèi)部安裝石英玻璃，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)流場(chǎng)的觀測(cè)和拍攝。由于觀測(cè)區(qū)域的限制，試驗(yàn)段中的環(huán)形通道只有90°。試驗(yàn)采用的氣體為298 K溫度下體積比為H∶O∶Ar=2∶1∶2的預(yù)混氣。試驗(yàn)初始?jí)毫?p>p

分別設(shè)置為30 kPa、40 kPa和50 kPa，通道寬度

d

分別設(shè)置為20 mm、40 mm和60 mm，內(nèi)壁面的曲率半徑

R

設(shè)置為20～100 mm，間隔為20 mm。出口段尾部使用PVC膜進(jìn)行密封，爆震波形成后可通過(guò)破壞PVC膜排出，以減少反射波系對(duì)觀測(cè)的影響。

圖2 彎曲爆震管和試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)剖視圖Fig.2 Sectional view of curved detonation tube and experimental section

激光陰影技術(shù)是本文試驗(yàn)的主要觀測(cè)手段，其測(cè)量光路如圖3所示。由于陰影反映的是流場(chǎng)密度的二階梯度，因此使用陰影技術(shù)能夠捕捉到流場(chǎng)中變化最為劇烈的爆震波波面信息。本試驗(yàn)中光源是由最大輸出功率為100 mW的半導(dǎo)體激光器發(fā)出的波長(zhǎng)為532 nm的連續(xù)激光，拍攝爆震波傳播過(guò)程所使用的高速相機(jī)為Photron Fastcam SA-X2高速數(shù)字?jǐn)z影儀，并通過(guò)電腦端的操作軟件實(shí)現(xiàn)控制、圖像處理與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。本文試驗(yàn)采用外部觸發(fā)的拍攝模式，拍攝的圖像分辨率為256×256，拍攝速度為21 600 fps。另外，試驗(yàn)中還在相機(jī)鏡頭前安裝了只能通過(guò)532 nm激光的濾光片，以過(guò)濾燃燒產(chǎn)生的強(qiáng)烈火光。

圖3 激光陰影原理示意圖Fig.3 Schematic of laser shadowgraph technique

2 結(jié)果與分析

過(guò)去的研究中，爆震波的傳播模式一般按照波面是否發(fā)生解耦劃分為不穩(wěn)定傳播模式和穩(wěn)定傳播模式。不穩(wěn)定傳播模式表現(xiàn)為傳播過(guò)程中爆震波面發(fā)生解耦，對(duì)應(yīng)的胞格圖上出現(xiàn)爆震胞格消失的區(qū)域，如圖4(a)、(b)所示，而穩(wěn)定模式則表現(xiàn)為爆震波在傳播過(guò)程中能始終保持波面耦合，對(duì)應(yīng)胞格圖中無(wú)胞格消失的區(qū)域，如圖4(c)、(d)所示。事實(shí)上，從環(huán)形通道內(nèi)外壁面對(duì)爆震波的影響機(jī)制來(lái)看，爆震波在環(huán)形通道內(nèi)能否穩(wěn)定傳播主要取決于內(nèi)壁面的衍射是否會(huì)使爆震波發(fā)生解耦，因此這樣的劃分方法忽略了外壁面附近馬赫干的發(fā)展對(duì)爆震波傳播的影響。為了更為深入地研究爆震波在環(huán)形通道內(nèi)的傳播模式及其特性，根據(jù)馬赫干的變化情況將現(xiàn)有的兩種傳播模式又細(xì)分為馬赫干增長(zhǎng)型、馬赫干平穩(wěn)型和馬赫干衰減型，由此可得共計(jì)6種傳播模式。下面對(duì)這6種傳播模式的形成機(jī)制、波面結(jié)構(gòu)以及速度分布情況進(jìn)行詳細(xì)的分析說(shuō)明。

圖4 現(xiàn)有研究中的兩種傳播模式下的密度紋影和數(shù)值胞格圖對(duì)比Fig.4 Comparison of density schlieren and numerical soot foil for the two propagation modes in previous study

2.1 不穩(wěn)定傳播模式

2.1.1 馬赫干增長(zhǎng)型不穩(wěn)定傳播模式

馬赫干增長(zhǎng)型不穩(wěn)定傳播模式(IMUP)不同時(shí)刻的密度陰影如圖5所示，對(duì)應(yīng)工況為

p

=30 kPa，

d

=40 mm，

R

=40 mm。從圖中可以看出，這種傳播模式的形成機(jī)制為內(nèi)壁面附近的爆震波面因衍射而發(fā)生解耦，而外壁面處形成的馬赫反射三波點(diǎn)與解耦波面發(fā)生接觸，由于馬赫干后方區(qū)域經(jīng)外壁面的壓縮溫度和壓力均較高，因此能夠點(diǎn)燃解耦區(qū)域內(nèi)的預(yù)混氣并形成局部起爆，起爆產(chǎn)生的能量會(huì)加速反射三波點(diǎn)向內(nèi)壁面的傳播，最終導(dǎo)致了馬赫干高度的迅速增長(zhǎng)。該傳播模式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是爆震波面上橫波結(jié)構(gòu)基本消失，但存在一個(gè)主導(dǎo)的馬赫反射三波點(diǎn)結(jié)構(gòu)在內(nèi)外壁面之間來(lái)回碰撞反射，且內(nèi)壁面附近的爆震波面始終存在解耦區(qū)域。

圖5 馬赫干增長(zhǎng)型不穩(wěn)定傳播模式(IMUP) 密度陰影圖Fig.5 Density shadowgraph of increasing Mach-stem unstable propagation (IMUP) mode

2.1.2 馬赫干平穩(wěn)型不穩(wěn)定傳播模式

馬赫干平穩(wěn)型不穩(wěn)定傳播模式(SMUP)的密度陰影如圖6所示，對(duì)應(yīng)工況為

p

=40 kPa，

d

=40 mm，

R

=40 mm。相較于IMUP模式，這種傳播模式的初始?jí)毫?p>p

更高，所以內(nèi)壁面附近的衍射爆震波能夠自發(fā)形成再起爆，但還無(wú)法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的傳播，因此波面上存在著有限的解耦區(qū)域。另外較高的初始?jí)毫€導(dǎo)致爆震波誘導(dǎo)區(qū)和反應(yīng)區(qū)長(zhǎng)度的縮短，從而使馬赫干高度增長(zhǎng)緩慢，這就延長(zhǎng)了馬赫反射三波點(diǎn)到達(dá)內(nèi)壁面的運(yùn)動(dòng)距離，因此解耦區(qū)域與外壁面附近的馬赫反射三波點(diǎn)并未發(fā)生接觸，無(wú)法形成局部起爆以促使馬赫干的增長(zhǎng)，而當(dāng)外壁面相對(duì)于爆震波面的夾角處于一定范圍內(nèi)時(shí)就可以形成高度基本不變的馬赫干。這種傳播模式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為內(nèi)壁面附近衍射爆震波的再起爆與外壁面附近馬赫干的傳播相互獨(dú)立，互不影響。

圖6 馬赫干平穩(wěn)型不穩(wěn)定傳播模式(SMUP) 密度陰影圖Fig.6 Density shadowgraph of steady Mach-stem unstable propagation (SMUP) mode

2.1.3 馬赫干衰減型不穩(wěn)定傳播模式

馬赫干衰減型不穩(wěn)定傳播模式(DMUP)的試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，對(duì)應(yīng)工況為

p

=40 kPa，

d

=60 mm，

R

=20 mm。該傳播模式的形成機(jī)理與SMUP模式相似，較高的

p

使內(nèi)壁面附近衍射爆震波能自發(fā)形成再起爆，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定傳播，導(dǎo)致波面存在解耦區(qū)，而由于

R

/d

相比SMUP模式有所減小，因此不僅導(dǎo)致解耦區(qū)域與馬赫反射三波點(diǎn)無(wú)接觸，還相應(yīng)增大了外壁面相對(duì)于衍射波面的夾角，從而使馬赫干高度隨著傳播而逐漸發(fā)生衰減。最終馬赫干會(huì)完全消失，意味著馬赫反射向規(guī)則反射發(fā)生了轉(zhuǎn)化。這種傳播模式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為發(fā)展穩(wěn)定后的爆震波面不存在馬赫干，外壁面處的反射為規(guī)則反射。

圖7 馬赫干衰減型不穩(wěn)定傳播模式(DMUP) 密度陰影圖Fig.7 Density shadowgraph of decreasing Mach-stem unstable propagation (DMUP) mode

2.2 穩(wěn)定傳播模式

2.2.1 馬赫干增長(zhǎng)型穩(wěn)定傳播模式

圖8所示為馬赫干增長(zhǎng)型穩(wěn)定傳播模式(IMSP)的密度陰影圖，對(duì)應(yīng)工況為

p

=30 kPa，

d

=20 mm，

R

=80 mm。該傳播模式的形成機(jī)制分為兩種情況：①如果內(nèi)壁面無(wú)法達(dá)到衍射爆震波穩(wěn)定傳播的條件，則衍射爆震波仍能夠維持一段距離的耦合狀態(tài)之后才發(fā)生解耦，而由于

R

/d

較大，馬赫反射三波點(diǎn)到達(dá)內(nèi)壁面的運(yùn)動(dòng)距離較短。因此，反射三波點(diǎn)可在衍射爆震波解耦之前通過(guò)在波面上的運(yùn)動(dòng)到達(dá)內(nèi)壁面，從而保持爆震波不發(fā)生解耦地穩(wěn)定傳播。②如果衍射爆震波本身就能夠無(wú)解耦地穩(wěn)定傳播，那么只需保證反射三波點(diǎn)能夠通過(guò)運(yùn)動(dòng)到達(dá)內(nèi)壁面即可實(shí)現(xiàn)馬赫干增長(zhǎng)型的穩(wěn)定傳播。在這種傳播模式中，爆震波面實(shí)質(zhì)上是在內(nèi)外壁面來(lái)回碰撞的馬赫干，由于馬赫干的彎曲程度較小，且這種傳播模式多出現(xiàn)在通道寬度較小而曲率半徑較大的工況中，因此波面形態(tài)基本為垂直于內(nèi)外壁面的平直面。

圖8 馬赫干增長(zhǎng)型穩(wěn)定傳播模式(IMSP) 密度陰影圖Fig.8 Density shadowgraph of increasing Mach-stem stable propagation (IMSP) mode

2.2.2 馬赫干平穩(wěn)型穩(wěn)定傳播模式

圖9所示為馬赫干平穩(wěn)型穩(wěn)定傳播模式(SMSP)的密度陰影，對(duì)應(yīng)工況為

p

=40 kPa，

d

=40 mm，

R

=80 mm。相較于SMUP模式，該傳播模式下初始?jí)毫?p>p

更高，因此衍射爆震波能夠在內(nèi)壁面附近實(shí)現(xiàn)無(wú)解耦的穩(wěn)定傳播，而較小的

R

/d

能使外壁面附近形成高度基本不變的馬赫干。在這種傳播模式下，穩(wěn)定后的爆震波面表現(xiàn)為曲面爆震波與馬赫干組合的結(jié)構(gòu)，且這種結(jié)構(gòu)在之后的傳播過(guò)程中基本保持恒定。

圖9 馬赫干平穩(wěn)型穩(wěn)定傳播模式(SMSP) 密度陰影圖Fig.9 Density shadowgraph of steady Mach-stem stable propagation (SMSP) mode

2.2.3 馬赫干衰減型穩(wěn)定傳播模式

圖10所示為馬赫干衰減型穩(wěn)定傳播模式(DMSP)的試驗(yàn)拍攝結(jié)果，對(duì)應(yīng)工況為

p

=50 kPa，

d

=40 mm，

R

=40 mm。該傳播模式的形成機(jī)制與SMSP模式基本相同，足夠高的初始?jí)毫?p>p

使內(nèi)壁面附近的衍射爆震波能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定傳播，而

R

/d

比SMSP模式進(jìn)一步減小，從而使波面與外壁面的夾角進(jìn)一步增大，導(dǎo)致馬赫干高度逐漸衰減，最終馬赫反射會(huì)向規(guī)則反射轉(zhuǎn)化，從而使馬赫干完全消失。這種模式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為穩(wěn)定后的爆震波僅由平滑過(guò)渡的彎曲波面構(gòu)成，且該曲面結(jié)構(gòu)在之后傳播過(guò)程中基本保持恒定，外壁面處可見(jiàn)明顯的規(guī)則反射結(jié)構(gòu)。

圖10 馬赫干衰減型穩(wěn)定傳播模式(DMSP) 密度陰影圖Fig.10 Density shadowgraph of decreasing Mach-stem stable propagation (DMSP) mode

2.3 爆震波傳播速度分布規(guī)律

通過(guò)對(duì)密度陰影中爆震波位置的提取，得到了各種傳播模式下爆震波在內(nèi)外壁面的傳播速度隨壁面中心夾角

θ

的分布情況，如圖11所示。圖中各傳播模式分別對(duì)應(yīng)于2.1節(jié)和2.2節(jié)中的各試驗(yàn)工況，其中

D

為爆震波面在壁面位置的傳播速度，

D

為該工況下的CJ爆震理論傳播速度。從內(nèi)壁面的傳播速度來(lái)看，在不穩(wěn)定傳播模式下內(nèi)壁面的傳播速度發(fā)生了明顯的衰減，各工況下的

D

/D

均下降到了0.5左右，這表明爆震波解耦所造成的速度虧損非常嚴(yán)重。此外，在DMUP模式下觀測(cè)到傳播速度下降后上升的情況，推測(cè)可能為再起爆形成的局部爆震在內(nèi)壁面的碰撞使爆震波面重新耦合在一起，由此引發(fā)了短暫的速度躍升，這一現(xiàn)象在過(guò)去的研究中也有報(bào)道。相比之下，穩(wěn)定傳播模式由于內(nèi)壁面附近波面無(wú)解耦，因此其速度分布要穩(wěn)定許多，

D

/D

基本保持在0.8～1之間，仍有一定的速度虧損，這是由于內(nèi)壁面附近爆震波面發(fā)生彎曲所導(dǎo)致的。

圖11 各傳播模式下的爆震波傳播速度分布Fig.11 Propagation velocity evolution of detonation wave for different propagation modes

對(duì)于外壁面的傳播速度，從圖中可以很明顯地看到，不論在何種傳播模式下，外壁面附近爆震波的傳播速度均大于內(nèi)壁面，且大于

D

，處于過(guò)驅(qū)狀態(tài)。這是由于外壁面在垂直于放射三波點(diǎn)方向上的速度與

D

相當(dāng)，由速度分解可知垂直于波面方向上的速度僅為爆震波傳播速度的一個(gè)分量，如圖12所示，假設(shè)馬赫干為平直波面且垂直于外壁面，則外壁面出的波面?zhèn)鞑ニ俣扰c反射三波點(diǎn)處速度相等，因此在外壁面上測(cè)得的傳播速度會(huì)大于

D

。另外，不穩(wěn)定模式和穩(wěn)定模式在外壁面的速度分布上沒(méi)有明顯的差異，其過(guò)驅(qū)度隨馬赫干的衰減而呈上升的趨勢(shì)，尤其是在馬赫干衰減型的傳播模式下，由于馬赫反射向規(guī)則反射發(fā)生了轉(zhuǎn)換，其過(guò)驅(qū)度顯著高于其他模式，達(dá)到2.0左右。此外還能發(fā)現(xiàn)，同一波面在內(nèi)外壁面的速度相位差也與馬赫干的變化有關(guān)，且也隨著馬赫干的衰減而增大，速度相位差主要由衍射而發(fā)生彎曲的爆震波面在內(nèi)外壁面的位置不同引起，而馬赫干的衰減會(huì)使彎曲波面的長(zhǎng)度增加，從而導(dǎo)致了速度相位差的增大。

圖12 環(huán)形通道內(nèi)爆震波面速度分布示意圖Fig.12 Schematic of detonation wave front velocity distribution in the annular channel

以上的分析表明，所有的不穩(wěn)定傳播模式均會(huì)在內(nèi)壁面出現(xiàn)速度驟減和躍升的劇烈振蕩，且還伴隨著爆震波解耦和再起爆等不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象，如果旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)形燃燒室內(nèi)的爆震燃燒出現(xiàn)這樣的不穩(wěn)定傳播模式，不僅會(huì)嚴(yán)重影響爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的推力性能，還有可能導(dǎo)致燃燒室結(jié)構(gòu)的燒蝕與損壞。相比之下，穩(wěn)定傳播模式中內(nèi)外壁面的速度分布均較為平穩(wěn)，能夠?qū)崿F(xiàn)較為固定的旋轉(zhuǎn)傳播頻率，且燃料的燃燒也更為充分，因此在對(duì)環(huán)形燃燒室的尺寸參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量避免燃燒室內(nèi)出現(xiàn)不穩(wěn)定傳播，確保爆震波在穩(wěn)定傳播模式下平穩(wěn)地旋轉(zhuǎn)傳播。此外，爆震波面較大的速度相位差可能導(dǎo)致瞬時(shí)推力沿徑向發(fā)生偏移，而較大過(guò)驅(qū)度所形成的高溫高壓則可能導(dǎo)致燃燒室壁面發(fā)生燒蝕。

綜合來(lái)看，IMSP模式下內(nèi)外壁面的傳播速度均較為平穩(wěn)，且均接近

D

，速度相位差也很小，是環(huán)形燃燒室內(nèi)爆震波較為理想的傳播模式。

2.4 爆震波傳播模式變化規(guī)律

通過(guò)對(duì)所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，可得爆震波在不同

p

、

d

和

R

條件下的傳播模式分布如圖13所示，從其分布中可以得到爆震波傳播模式的變化規(guī)律。

圖13 所有試驗(yàn)工況下爆震波傳播模式分布Fig.13 Distribution of detonation propagation modes for all experiment cases

首先對(duì)于不穩(wěn)定傳播模式與穩(wěn)定傳播模式之間的轉(zhuǎn)換，這主要由內(nèi)壁面附近爆震波面是否發(fā)生解耦決定，因此初始?jí)毫?p>p

的增大提高了爆震波的強(qiáng)度，從而防止其在衍射過(guò)程中發(fā)生解耦，因此穩(wěn)定傳播模式的分布范圍擴(kuò)大，這與過(guò)去的研究是相符的。而隨著曲率半徑

R

的增大，傳播模式也會(huì)從不穩(wěn)定向穩(wěn)定轉(zhuǎn)變，這是由于內(nèi)壁面附近衍射波的稀疏效應(yīng)隨

R

的增大而減弱，從而降低了爆震解耦的發(fā)生。但通道寬度

d

的改變似乎對(duì)不穩(wěn)定模式與穩(wěn)定模式之間的轉(zhuǎn)換沒(méi)有顯著的影響，這一現(xiàn)象可通過(guò)曲面爆震理論進(jìn)行有效解釋。對(duì)于馬赫干的變化類(lèi)型，則主要由外壁面附近的爆震波馬赫反射過(guò)程所決定。當(dāng)

p

增大時(shí)，馬赫干會(huì)呈現(xiàn)增長(zhǎng)—平穩(wěn)—衰減的轉(zhuǎn)換趨勢(shì)，這是由于

p

的增大會(huì)縮短爆震波誘導(dǎo)區(qū)和反應(yīng)區(qū)的長(zhǎng)度，從而加劇馬赫干的衰減。

R

的增大能夠增大反射時(shí)馬赫干的絕對(duì)高度，而通道寬度

d

的減小則能夠縮短反射三波點(diǎn)到達(dá)內(nèi)壁面的距離，因此

R

/d

的增大會(huì)使馬赫干呈現(xiàn)衰減—平穩(wěn)—增長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換趨勢(shì)。

最后，基于2.1節(jié)和2.2節(jié)中對(duì)爆震波各種傳播模式形成機(jī)制的分析，可形成圖14所示的各傳播模式工況范圍的判別流程，通過(guò)該流程就能夠?qū)Σ煌r下環(huán)形通道內(nèi)爆震波的傳播模式進(jìn)行判別，從而獲得每種傳播模式的工況分布范圍，如果可以從理論上確定流程中每個(gè)物理過(guò)程發(fā)生的臨界條件，則可以對(duì)環(huán)形通道中爆震波的傳播模式進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)，這將在今后開(kāi)展進(jìn)一步的深入研究。

圖14 環(huán)形通道內(nèi)爆震波傳播模式判別流程圖Fig.14 Flowchart for distinguishing different propagation modes of detonation wave in annular channel

3 結(jié)論

本文對(duì)爆震波通過(guò)環(huán)形通道的傳播現(xiàn)象進(jìn)行了試驗(yàn)研究。根據(jù)爆震波受內(nèi)外壁面的影響機(jī)制對(duì)其傳播模式進(jìn)行了詳細(xì)的劃分，并依次分析了各傳播模式的形成機(jī)制、結(jié)構(gòu)及速度特性，獲得了傳播模式分布隨參數(shù)的變化規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1)爆震波傳播模式按照波面是否發(fā)生解耦可劃分為不穩(wěn)定傳播模式和穩(wěn)定傳播模式，其中不穩(wěn)定傳播模式下內(nèi)壁面附近的爆震波會(huì)發(fā)生解耦，從而導(dǎo)致內(nèi)壁面附近爆震波速度出現(xiàn)虧損和振蕩，相比之下，穩(wěn)定傳播模式中爆震波不會(huì)發(fā)生解耦，因此在內(nèi)外壁面附近的速度分布均更加平穩(wěn)。

2)根據(jù)馬赫干的變化情況可將傳播模式細(xì)分為馬赫干增長(zhǎng)型、平穩(wěn)型和衰減型。外壁面附近波面的過(guò)驅(qū)度隨馬赫干的衰減呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，尤其在馬赫干衰減型的傳播模式下，爆震波會(huì)在外壁面形成規(guī)則反射，導(dǎo)致外壁面附近波面過(guò)驅(qū)度遠(yuǎn)高于其他模式，同時(shí)內(nèi)外壁面速度相位差也隨馬赫干的衰減而增大。

3)隨著初始?jí)毫捅诿媲拾霃降脑龃?，爆震波?shí)現(xiàn)穩(wěn)定傳播的能力得到增強(qiáng)，但其穩(wěn)定傳播能力與通道寬度無(wú)關(guān)。此外，初始?jí)毫Φ脑龃笫柜R赫干呈現(xiàn)增長(zhǎng)—平穩(wěn)—衰減的轉(zhuǎn)換趨勢(shì)，而壁面曲率半徑與通道寬度比的增大會(huì)縮短馬赫反射三波點(diǎn)到達(dá)內(nèi)壁面的運(yùn)動(dòng)距離，使馬赫干呈現(xiàn)衰減—平穩(wěn)—增長(zhǎng)的變化規(guī)律。