馮子軒

（中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)有限公司，北京 100097）

0 引言

爆轟是一種由前導(dǎo)激波和化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)烈耦合且存在強(qiáng)間斷現(xiàn)象的燃燒模式。其中，可燃反應(yīng)物在前導(dǎo)激波的壓縮作用下發(fā)生快速化學(xué)反應(yīng)，而在反應(yīng)過(guò)程中釋放的劇烈化學(xué)能反過(guò)來(lái)用以支持前導(dǎo)激波的持續(xù)傳播。相比航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)等采用的等壓燃燒過(guò)程而言，爆轟過(guò)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(jìn)動(dòng)力技術(shù)的跨越發(fā)展提供新機(jī)遇[1-2]。

根據(jù)爆轟波的傳播特點(diǎn)，爆轟主要包括脈沖爆轟、旋轉(zhuǎn)爆轟及斜爆轟3類(lèi)。與脈沖爆轟和斜爆轟相比，旋轉(zhuǎn)爆轟在起爆頻率、燃燒室出口參數(shù)分布均勻性、進(jìn)氣條件、結(jié)構(gòu)緊湊性、可操作性、適用范圍等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，其基本原理是一次起爆形成的爆轟波在環(huán)形燃燒室內(nèi)沿周向自持傳播運(yùn)動(dòng)，爆轟波后的高溫高壓燃燒產(chǎn)物沿燃燒室軸向膨脹，預(yù)混/非預(yù)混可燃反應(yīng)物則從爆轟波后壓力較低處持續(xù)注入，在導(dǎo)彈、火箭、燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用前景[3]。

鑒于旋轉(zhuǎn)爆轟的特殊性和潛在應(yīng)用價(jià)值，自Nicholls等[4]在1966年率先提出將旋轉(zhuǎn)爆轟應(yīng)用于動(dòng)力系統(tǒng)理念以來(lái)，中、美、日、俄、波蘭等國(guó)相繼開(kāi)展了大量基礎(chǔ)理論和試驗(yàn)研究，并取得了一系列顯著進(jìn)展。尤其是在近十年，國(guó)內(nèi)外有關(guān)旋轉(zhuǎn)爆轟的研究成果數(shù)量大幅增加，部分火箭基、渦輪基、沖壓基旋轉(zhuǎn)爆轟技術(shù)在原理驗(yàn)證和工程實(shí)踐方面取得了重大進(jìn)展[5-6]。液態(tài)燃料作為先進(jìn)動(dòng)力（尤其是軍用動(dòng)力）系統(tǒng)的最常用燃料之一，其能量密度相對(duì)較高且存儲(chǔ)輸運(yùn)更加安全。然而，Wolański等[7]研究表明，液態(tài)燃料的起爆條件更加苛刻，旋轉(zhuǎn)爆轟的波系結(jié)構(gòu)、傳播模態(tài)以及穩(wěn)定性等更加復(fù)雜，致使該方面的工程化應(yīng)用依然面臨嚴(yán)重挑戰(zhàn)。

基于上述研究現(xiàn)狀，本文重點(diǎn)從爆燃轉(zhuǎn)爆轟技術(shù)和旋轉(zhuǎn)爆轟組織技術(shù)2方面，詳細(xì)綜述液態(tài)燃料旋轉(zhuǎn)爆轟技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，并對(duì)其未來(lái)研究趨勢(shì)進(jìn)行展望。

1 液態(tài)燃料爆燃轉(zhuǎn)爆轟技術(shù)

起爆是旋轉(zhuǎn)爆轟技術(shù)應(yīng)用面臨的首要問(wèn)題。相比氫氣、乙烯、丙烷等氣態(tài)燃料而言，液態(tài)燃料的燃燒反應(yīng)活性低、火焰加速與爆燃轉(zhuǎn)爆轟距離長(zhǎng)、胞格尺度大，導(dǎo)致其直接起爆需要的能量極高。因此，為提高液態(tài)燃料旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的起爆可靠性，需要掌握氣液兩相爆轟波的形成演變機(jī)理，在此基礎(chǔ)上發(fā)展有效的起爆強(qiáng)化方法。

1.1 試驗(yàn)研究

1.1.1 JP10等燃料試驗(yàn)

Brophy等[8]對(duì)比分析了JP10燃料在氧氣和空氣中的爆燃轉(zhuǎn)爆轟特性，表明點(diǎn)火延遲時(shí)間是影響火焰加速與轉(zhuǎn)捩的重要參數(shù)，JP10燃料/空氣因反應(yīng)活性較低而無(wú)法在其所研究的條件下形成穩(wěn)定爆轟波；Fan等[9]研究了液態(tài)辛烷和空氣的起爆性能，指出當(dāng)燃油霧化粒徑約為80 μm時(shí)，上述液態(tài)燃料可以在50 mJ初始點(diǎn)火能量下，通過(guò)螺旋障礙物的強(qiáng)化作用實(shí)現(xiàn)起爆；Li等[10]研究了大尺寸管道內(nèi)JP10燃料液霧和空氣的爆燃轉(zhuǎn)爆轟特性，分析了在常溫常壓條件下當(dāng)量比對(duì)爆轟成功率、爆轟速度以及胞格尺寸的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)由于燃料的揮發(fā)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(yàn)

以汽油為研究對(duì)象，王治武等[11]研究了燃油霧化特性對(duì)起爆過(guò)程的影響，發(fā)現(xiàn)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(duì)比了不同類(lèi)型助爆裝置條件下的汽油/空氣兩相火焰?zhèn)鞑ヅc爆燃轉(zhuǎn)爆轟過(guò)程，指出改善燃油蒸發(fā)特性是強(qiáng)化起爆的核心，通過(guò)合理布置擾流器能夠加快層流火焰向湍流火焰的過(guò)渡，并且相比鋸齒型和環(huán)型擾流器而言，螺旋型擾流器產(chǎn)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(duì)起爆性能的作用，發(fā)現(xiàn)超聲霧化可大幅減小汽油的霧化粒徑，從而有力促進(jìn)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(yù)爆管的起爆強(qiáng)化方法，其中采用了氣動(dòng)閥與燃油氣動(dòng)霧化一體化設(shè)計(jì)，并通過(guò)螺旋、片狀擾流、激波反射等助爆結(jié)構(gòu)來(lái)加速火焰的傳播與轉(zhuǎn)捩；秦鵬高等[15]分析了80 mm管內(nèi)的汽油/空氣爆燃轉(zhuǎn)爆轟過(guò)程，表明增大進(jìn)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(diǎn)火模式下的汽油/富氧空氣起爆的影響，發(fā)現(xiàn)提高點(diǎn)火能量、合理布置預(yù)爆管以及延遲點(diǎn)火時(shí)間有助于爆轟波的形成。

1.1.3 液態(tài)煤油試驗(yàn)

Kindracki[17]分析了氧體積分?jǐn)?shù)、初始點(diǎn)火方式、管徑等典型參數(shù)對(duì)煤油在圓管內(nèi)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?jǐn)?shù)如圖2所示；Wang等[18]對(duì)煤油/氧氣兩相起爆的研究表明，由于燃油蒸發(fā)和油氣摻混的影響，當(dāng)兩相爆轟波的傳播速度達(dá)到CJ理論值的80%時(shí)，即可以認(rèn)為實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定起爆。

圖2 煤油臨界起爆管徑和氧體積分?jǐn)?shù)[17]

為加強(qiáng)液態(tài)煤油的起爆效果，Wang等[19]探究了點(diǎn)火模式對(duì)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(yù)爆管可以顯著縮短爆燃轉(zhuǎn)爆轟的時(shí)間和距離，3種典型的點(diǎn)火方式如圖3所示；Yan等[20]從強(qiáng)化霧化和油氣摻混角度出發(fā)，對(duì)比了在4種噴嘴條件下的煤油起爆特性，通過(guò)分析速度和壓力的變化，認(rèn)為采用高收縮比和高膨脹比噴嘴對(duì)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(qiáng)化方法，表明液態(tài)煤油在加熱作用下能夠達(dá)到較好的霧化效果，進(jìn)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(shí)現(xiàn)液態(tài)燃料旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的快速起爆，設(shè)計(jì)了一種基于雙級(jí)軸向旋流的煤油/氧氣預(yù)爆管結(jié)構(gòu)，煤油/氧氣預(yù)爆管旋流器如圖4所示，并對(duì)比了工作時(shí)序、油氣比以及典型結(jié)構(gòu)參數(shù)等兩相起爆過(guò)程的影響規(guī)律，表明采用上述預(yù)爆結(jié)構(gòu)可以有效解決煤油/氧氣起爆距離長(zhǎng)和起爆率較低的問(wèn)題，爆轟波的壓力和速度分別達(dá)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(diǎn)火方式[19]

圖4 煤油/氧氣預(yù)爆管旋流器[22]

1.2 數(shù)值模擬研究

在試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步深入掌握氣液兩相火焰的形成、加速、轉(zhuǎn)捩過(guò)程以及系列影響因素的作用機(jī)制，國(guó)內(nèi)外學(xué)者還開(kāi)展了相關(guān)數(shù)值模擬工作。

張群等[23-24]采用1維數(shù)值仿真剖析了液態(tài)辛烷/空氣兩相混合物的爆燃轉(zhuǎn)爆轟特性，詳細(xì)討論了部分預(yù)蒸發(fā)、液滴數(shù)量、點(diǎn)火能量、初始溫度等參數(shù)對(duì)爆轟波結(jié)構(gòu)與發(fā)展過(guò)程的作用機(jī)制，表明燃油預(yù)蒸發(fā)、減小液滴尺寸、提高點(diǎn)火能量和初始溫度均能夠促進(jìn)爆轟波的形成，并且隨著液滴數(shù)量的增加，爆燃向爆轟的轉(zhuǎn)變過(guò)程會(huì)有所延遲。

Shen等[25]基于CE/SE數(shù)值求解方法研究了液滴尺寸和當(dāng)量比對(duì)液態(tài)癸烷/空氣兩相爆轟的影響，表明對(duì)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(duì)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(jìn)行了2維數(shù)值模擬研究，通過(guò)分析不同位置和不同時(shí)刻的火焰?zhèn)鞑ニ俣?、壓力以及溫度變化?guī)律，發(fā)現(xiàn)液滴尺寸和分布不均勻會(huì)顯著影響爆轟波形成的時(shí)間、減小液滴尺寸，有利于強(qiáng)化起爆過(guò)程；Nguyen等[28]通過(guò)2維數(shù)值模擬研究了Jet-A/空氣的兩相起爆過(guò)程，指出燃油的預(yù)汽化質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)火焰加速與轉(zhuǎn)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(guò)程如圖5所示。

圖5 Jet-A/空氣起爆過(guò)程[28]

Jia等[29]采用2維數(shù)值模擬研究了液態(tài)正癸烷在障礙物管道內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ヅc爆轟轉(zhuǎn)捩規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在其所研究的結(jié)構(gòu)和參數(shù)條件下，燃料液滴的存在會(huì)使起爆“熱點(diǎn)”位置發(fā)生改變，并且當(dāng)液滴粒徑由10 μm增大到30 μm時(shí)，爆燃轉(zhuǎn)爆轟的時(shí)間和距離分別增加了126%和33.8%。

此外，許多研究人員對(duì)汽油、煤油等液態(tài)燃料的脈沖爆轟開(kāi)展了部分研究工作[30-31]，但是本文主要側(cè)重于脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)性能研究，因此不對(duì)其研究情況進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2 液態(tài)燃料旋轉(zhuǎn)爆轟組織技術(shù)

對(duì)于液態(tài)燃料旋轉(zhuǎn)爆轟而言，其涉及復(fù)雜的燃料噴注、破碎、蒸發(fā)、化學(xué)反應(yīng)等過(guò)程，爆轟波、斜激波及其之間的相互作用導(dǎo)致爆轟多物理場(chǎng)的組織調(diào)控變得十分困難。因此，為實(shí)現(xiàn)液態(tài)燃料旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的可控穩(wěn)定運(yùn)行，需要探究復(fù)雜進(jìn)氣和燃料供給條件下的氣液兩相旋轉(zhuǎn)爆轟波傳播特性、敏感影響因素及其調(diào)控方法。

2.1 試驗(yàn)研究

Li等[32]對(duì)比了預(yù)混和非預(yù)混Jet A-1液態(tài)燃料的旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒過(guò)程，指出在相同工況參數(shù)下，非預(yù)混旋轉(zhuǎn)爆轟波更難觸發(fā)和穩(wěn)定傳播；Frolov等[33]研究了“膜式”噴油、氧氣為氧化劑時(shí)的旋轉(zhuǎn)爆轟現(xiàn)象，認(rèn)為霧化和蒸發(fā)性能是決定液態(tài)燃料燃燒模式的重要因素；鄭權(quán)等[34]采用由氫氣和氧氣起爆的環(huán)形陣列式旋轉(zhuǎn)爆轟試驗(yàn)系統(tǒng)研究了汽油/富氧空氣的爆轟波傳播特性，表明在氧體積分?jǐn)?shù)析為34.3%和當(dāng)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(quán)等[35]還通過(guò)試驗(yàn)探究了燃燒室長(zhǎng)度、寬度[36]、當(dāng)量比[37]、噴注壓力[38]、中心錐結(jié)構(gòu)[39]等對(duì)汽油/富氧空氣旋轉(zhuǎn)爆轟過(guò)程的影響，發(fā)現(xiàn)在其研究的參數(shù)范圍內(nèi)，燃燒室尺寸減小直接影響燃油-空氣的摻混均勻性，導(dǎo)致燃燒室內(nèi)出現(xiàn)了爆轟效果變差、壓力波振蕩現(xiàn)象增強(qiáng)以及爆轟波傳播速度虧損等現(xiàn)象，隨著高噴注壓力下燃油霧化性能的改善，氣液兩相旋轉(zhuǎn)爆轟的傳播穩(wěn)定性顯著提高；葛高楊等[40]以外徑、內(nèi)徑、長(zhǎng)度分別為202、166、155 mm的環(huán)形旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室為研究對(duì)象，分析了高溫空氣來(lái)流環(huán)境下汽油/空氣的旋轉(zhuǎn)爆轟特點(diǎn)，表明當(dāng)空氣質(zhì)量流量、當(dāng)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(zhuǎn)爆轟波能夠以雙波對(duì)撞模態(tài)進(jìn)行自持穩(wěn)定傳播。

針對(duì)煤油燃料，Kindracki[41]測(cè)量了其在旋轉(zhuǎn)爆轟模型燃燒室（其煤油霧化試驗(yàn)系統(tǒng)如圖6所示）內(nèi)的霧化特性，表明當(dāng)氣流溫度為290 K時(shí)，煤油的索泰爾平均直徑可達(dá)到約33~38 μm；在此基礎(chǔ)上，Kindracki[42]進(jìn)一步試驗(yàn)探究了煤油-氫氣-空氣的非預(yù)混旋轉(zhuǎn)爆轟特性，發(fā)現(xiàn)煤油液滴的破碎與蒸發(fā)使燃燒室內(nèi)存在混合不均勻現(xiàn)象，導(dǎo)致液態(tài)燃料旋轉(zhuǎn)爆轟波的觸發(fā)難度升高，強(qiáng)化煤油霧化或提高空氣溫度均有利于旋轉(zhuǎn)爆轟波的形成和穩(wěn)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(zhuǎn)爆轟現(xiàn)象，指出旋轉(zhuǎn)爆轟波的形成與傳播模態(tài)受氧化劑類(lèi)型的影響非常顯著。

圖6 旋轉(zhuǎn)爆轟模型燃燒室內(nèi)煤油霧化試驗(yàn)系統(tǒng)[41]

王迪等[45]采用氫氣和氧氣作為起爆方式，對(duì)小孔噴注煤油和富氧空氣或氧氣的兩相旋轉(zhuǎn)爆轟進(jìn)行了試驗(yàn)研究，表明煤油霧化特性和氧體積分?jǐn)?shù)直接決定了兩相爆轟波的特征參數(shù)、傳播模態(tài)以及穩(wěn)定性，提高霧化質(zhì)量和氧體積分?jǐn)?shù)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(yù)先燃燒式旋轉(zhuǎn)爆轟方案的可行性（預(yù)先燃燒式煤油旋轉(zhuǎn)爆轟原理如圖7所示），其結(jié)果一致表明，與液態(tài)煤油相比，煤油預(yù)先燃燒后的高溫燃?xì)饽軌蚴谷紵以诟偷难鹾?、更寬的進(jìn)氣參數(shù)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)爆轟波的快速形成和穩(wěn)定傳播。

圖7 預(yù)先燃燒式煤油旋轉(zhuǎn)爆轟原理[47]

王致程等[51]針對(duì)煤油/富氧空氣（氧體積分?jǐn)?shù)為40%）開(kāi)展了旋轉(zhuǎn)爆轟試驗(yàn)研究（采用乙烯和氧氣起爆，煤油通過(guò)離心噴嘴噴注），發(fā)現(xiàn)在無(wú)內(nèi)柱燃燒室內(nèi)，氧化劑流量太低容易導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)爆轟波無(wú)法穩(wěn)定自持傳播；環(huán)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(wú)內(nèi)柱條件下的傳播速度，燃燒室寬度對(duì)旋轉(zhuǎn)爆轟速度的影響如圖8所示；賈冰岳等[52]采用等直圓環(huán)旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室及其預(yù)爆管（如圖9所示）試驗(yàn)分析了煤油/氧氣預(yù)爆壓力、燃燒室油氣比、來(lái)流總溫、點(diǎn)火器安裝方式等典型因素對(duì)液態(tài)碳?xì)淙剂?純凈空氣旋轉(zhuǎn)爆轟波形成與傳播過(guò)程的影響，表明預(yù)爆壓力和來(lái)流總溫升高、當(dāng)量比趨近于1以及預(yù)爆轟波垂直射流均有利于縮短旋轉(zhuǎn)爆轟波形成時(shí)間。

圖8 燃燒室寬度對(duì)旋轉(zhuǎn)爆轟速度的影響[51]

圖9 等直圓環(huán)旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室及其預(yù)爆管[52]

Meng等[53]試驗(yàn)研究了煤油/富氧空氣的旋轉(zhuǎn)爆轟特性，表明在當(dāng)量比為0.7時(shí)，隨著富氧空氣流量由585.3 g/s提高至1493.8 g/s，旋轉(zhuǎn)爆轟波會(huì)經(jīng)歷單波、單雙波混合以及雙波3種典型的傳播模態(tài)，并且雙波比單波具有更高的傳播穩(wěn)定性；在此基礎(chǔ)上，Meng等[54]還探究了煤油/空氣在凹腔燃燒室（基于凹腔的環(huán)形旋轉(zhuǎn)爆轟試驗(yàn)系統(tǒng)如圖10所示）內(nèi)的旋轉(zhuǎn)爆轟模態(tài)，發(fā)現(xiàn)在0.77～1.47的當(dāng)量比范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)吸氣式自持傳播，但是傳播速度小于CJ理論值。此外，該團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步分析了氧體積分?jǐn)?shù)和進(jìn)氣溫度等典型因素對(duì)煤油/富氧空氣旋轉(zhuǎn)爆轟傳播穩(wěn)定性的作用，并揭示了傳播模態(tài)轉(zhuǎn)換和發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象的原因。

圖10 基于凹腔的環(huán)形旋轉(zhuǎn)爆轟試驗(yàn)系統(tǒng)[54]

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

圖11 煤油/富氧空氣傳播模態(tài)的操作范圍[55]

2.2 數(shù)值模擬研究

2.2.1 2維數(shù)值模擬

在2維數(shù)值模擬方面，Hayashi等[56]利用2步化學(xué)反應(yīng)機(jī)理和歐拉-歐拉模型探究了當(dāng)量比、液滴直徑、初始?jí)毫εc溫度等對(duì)JP-10燃料/空氣兩相旋轉(zhuǎn)爆轟過(guò)程的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)液滴直徑大于4 μm或蒸發(fā)量小于20%時(shí)易出現(xiàn)熄爆現(xiàn)象；Sun等[57]研究得到了理想當(dāng)量比條件下辛烷/空氣旋轉(zhuǎn)爆轟穩(wěn)定傳播邊界與空氣總溫、噴油間距之間的關(guān)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(dāng)間距達(dá)到10 mm且空氣總溫為300 K時(shí)，無(wú)法形成穩(wěn)定爆轟波；在相關(guān)試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，Wang等[58-59]基于改進(jìn)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(dāng)量比（0.9～1.4）等典型因素對(duì)煤油/空氣預(yù)混旋轉(zhuǎn)爆轟過(guò)程的作用，表明噴射總溫升高，未反應(yīng)區(qū)內(nèi)氣體會(huì)發(fā)生局部爆燃現(xiàn)象，進(jìn)而影響爆轟波的傳播速度和模態(tài)，總壓對(duì)爆轟波傳播穩(wěn)定性的影響較大而對(duì)爆轟波速的作用較小，壓力升高會(huì)削弱爆轟不穩(wěn)定，在貧燃工況下，直接形成旋轉(zhuǎn)爆轟的難度較大；Wang所在團(tuán)隊(duì)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(duì)象，分析了噴注壓力、氧化劑填充比、進(jìn)氣總壓、當(dāng)量比、氧體積分?jǐn)?shù)等可控物理參數(shù)和燃燒室軸向/周向長(zhǎng)度、寬度、中心錐位置與角度等可控幾何參數(shù)改變對(duì)氣液兩相旋轉(zhuǎn)爆轟形成與傳播多物理場(chǎng)特征、自持穩(wěn)定傳播邊界和傳播模態(tài)等的影響機(jī)理，認(rèn)為由于液滴破碎與蒸發(fā)過(guò)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(jìn)而導(dǎo)致了爆轟波傳播速度的減慢，旋轉(zhuǎn)爆轟的自持穩(wěn)定運(yùn)行邊界較氣相有所變窄，并且受進(jìn)氣條件的影響更加敏感，使得傳播模態(tài)的形成與轉(zhuǎn)換機(jī)理更加復(fù)雜、組織調(diào)控難度更大。進(jìn)氣總壓和當(dāng)量比對(duì)旋轉(zhuǎn)爆轟傳播模態(tài)的影響如圖12所示。

圖12 進(jìn)氣總壓和當(dāng)量比對(duì)旋轉(zhuǎn)爆轟傳播模態(tài)的影響[60]

Liu等[65]分析了不連續(xù)反應(yīng)物對(duì)煤油/空氣預(yù)混旋轉(zhuǎn)爆轟流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響（噴注模式對(duì)煤油/空氣旋轉(zhuǎn)爆轟的影響如圖13所示），采用全面積噴射模型時(shí)，反應(yīng)物連續(xù)分布在三角形氣相層中，旋轉(zhuǎn)爆轟波以規(guī)則的胞格結(jié)構(gòu)穩(wěn)定傳播，當(dāng)采用間隔噴射時(shí)，新鮮反應(yīng)物和燃燒產(chǎn)物在遠(yuǎn)離燃燒室頭端壁的位置相互混合，形成了三角形爆燃區(qū)，導(dǎo)致爆轟前沿部分解耦，并且大面積爆燃使燃燒室流場(chǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生扭曲，降低了燃燒室的推進(jìn)性能。

圖13 噴注模式對(duì)煤油/空氣旋轉(zhuǎn)爆轟的影響[65]

楊帆等[66]采用一步反應(yīng)機(jī)理和Eulerian-Lagrangian模型研究了煤油/空氣的非預(yù)混旋轉(zhuǎn)爆轟過(guò)程，發(fā)現(xiàn)受爆轟波前液滴直徑和高溫空氣預(yù)蒸發(fā)組分分布的影響，單個(gè)旋轉(zhuǎn)爆轟波由2個(gè)強(qiáng)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(huì)極為不平整；Ren等[67]探究了煤油/空氣兩相旋轉(zhuǎn)爆轟的傳播穩(wěn)定性問(wèn)題，重點(diǎn)剖析了爆轟波的分岔現(xiàn)象，認(rèn)為反應(yīng)主導(dǎo)淬熄和蒸發(fā)主導(dǎo)淬熄是引發(fā)爆轟波失穩(wěn)解耦的2個(gè)重要原因；Meng等[68-69]則研究了部分預(yù)蒸發(fā)和摻氫作用下正庚烷的旋轉(zhuǎn)爆轟多物理場(chǎng)變化規(guī)律（正庚烷旋轉(zhuǎn)爆轟多物理場(chǎng)如圖14所示），揭示了液滴時(shí)空分布與爆轟波、斜激波特征參數(shù)之間的關(guān)系，同時(shí)指出液滴粒徑和蒸發(fā)速率是引起爆轟波速度虧損的關(guān)鍵參數(shù)。

圖14 正庚烷旋轉(zhuǎn)爆轟多物理場(chǎng)[69]

2.2.2 3維數(shù)值模擬

在3維數(shù)值模擬方面，Wang等[70]采用歐拉-歐拉模型和理想進(jìn)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(zhuǎn)爆轟行為，發(fā)現(xiàn)液滴蒸發(fā)會(huì)引起反應(yīng)物的局部分層，從而容易導(dǎo)致3維旋轉(zhuǎn)爆轟波發(fā)生扭曲和傳播失穩(wěn)，煤油/空氣3維旋轉(zhuǎn)爆轟如圖15所示；丁陳偉等[71]分析了噴注壓力和當(dāng)量比對(duì)汽油/空氣旋轉(zhuǎn)爆轟流場(chǎng)和燃燒室性能的影響規(guī)律，表明氣液兩相旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室中存在不完全燃燒現(xiàn)象，當(dāng)總當(dāng)量比為1且保持不變時(shí)，燃油噴注壓力升高會(huì)使燃燒室內(nèi)的燃料分布不均勻性增強(qiáng)，出現(xiàn)局部富燃和反應(yīng)不完全現(xiàn)象，導(dǎo)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(shù)值分析了預(yù)混、理想進(jìn)氣條件下的汽油/富氧空氣3維旋轉(zhuǎn)爆轟流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在環(huán)形燃燒室外壁面收斂和內(nèi)壁面發(fā)散的共同作用下，爆轟波的強(qiáng)度沿著燃燒室徑向不斷增強(qiáng)。

圖15 煤油/空氣3維旋轉(zhuǎn)爆轟[70]

3 結(jié)束語(yǔ)

旋轉(zhuǎn)爆轟作為航空、航天、航海、工業(yè)驅(qū)動(dòng)與發(fā)電領(lǐng)域的前沿創(chuàng)新技術(shù)之一，已成為國(guó)內(nèi)外先進(jìn)動(dòng)力領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。近十年來(lái)，以中國(guó)科研人員為代表的大量學(xué)者圍繞氣液兩相爆轟理論及其應(yīng)用問(wèn)題，在液態(tài)燃料爆燃轉(zhuǎn)爆轟、旋轉(zhuǎn)爆轟組織等方面取得了許多代表性的研究成果，極大促進(jìn)了旋轉(zhuǎn)爆轟理論和技術(shù)的發(fā)展。然而，考慮到氣液兩相旋轉(zhuǎn)爆轟所具有的復(fù)雜跨尺度特征、多物理場(chǎng)相互耦合且影響因素呈現(xiàn)多源性，現(xiàn)有液態(tài)燃料起爆和旋轉(zhuǎn)爆轟組織技術(shù)在工程實(shí)踐中還面臨多重挑戰(zhàn)，相關(guān)的探索性研究仍需不斷深入開(kāi)展。其中，亟需解決的部分問(wèn)題如下：

（1）提出科學(xué)有效的液態(tài)燃料快速起爆新方法，解決預(yù)爆管和燃燒室燃料/氧化劑不統(tǒng)一的問(wèn)題。由于液態(tài)燃料的反應(yīng)活性相對(duì)較低且其爆燃轉(zhuǎn)爆轟過(guò)程受液態(tài)燃料霧化、蒸發(fā)以及油氣摻混均勻性的影響非常顯著，導(dǎo)致目前氣液兩相旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室或發(fā)動(dòng)機(jī)通常采用更容易起爆的氫氣/空氣、氫氣/氧氣進(jìn)行預(yù)爆，這將會(huì)極大影響旋轉(zhuǎn)爆轟技術(shù)的便捷性和安全性。因此，需要在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，開(kāi)展液態(tài)燃料超細(xì)霧化、多旋流高效摻混、等離子點(diǎn)火與助燃、激波聚焦起爆等新技術(shù)研究與應(yīng)用探索，為縮短液態(tài)燃料爆燃轉(zhuǎn)爆轟距離和提高預(yù)爆管出口爆轟波強(qiáng)度提供有力支撐。

（2）加強(qiáng)液態(tài)燃料非預(yù)混旋轉(zhuǎn)爆轟3維數(shù)值模擬研究深度，提升對(duì)旋轉(zhuǎn)爆轟復(fù)雜多物理場(chǎng)的認(rèn)知水平。數(shù)值模擬作為開(kāi)展旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室或發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的重要手段之一，可有效降低研制成本和試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。然而，從上述研究現(xiàn)狀可知，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于氣液兩相旋轉(zhuǎn)爆轟的數(shù)值研究主要側(cè)重于2維、預(yù)混方面，而對(duì)考慮真實(shí)工作條件的3維、非預(yù)混研究較少，因此對(duì)旋轉(zhuǎn)爆轟多物理場(chǎng)演變規(guī)律和組織調(diào)控還存在諸多不足，嚴(yán)重制約了高性能旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室或發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（3）發(fā)展先進(jìn)的高頻高精度測(cè)試技術(shù)，為旋轉(zhuǎn)爆轟試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)的等壓燃燒過(guò)程不同，旋轉(zhuǎn)爆轟具有典型的高溫、高壓、高速特征。目前國(guó)內(nèi)外通常采用高頻壓力傳感器測(cè)量旋轉(zhuǎn)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(dǎo)熒光法（Planner Laser Induced Fluorescence,PLIF）的非接觸光學(xué)測(cè)量技術(shù)探究了氣態(tài)燃料的旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒場(chǎng)分布與演變規(guī)律，為深入認(rèn)知旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒機(jī)制提供了有效手段。未來(lái)，有必要在現(xiàn)有測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮光學(xué)非接觸測(cè)量的諸多優(yōu)勢(shì)，探索適用于液態(tài)燃料旋轉(zhuǎn)爆轟場(chǎng)分析的先進(jìn)測(cè)試技術(shù)。