榮光耀，程 杪，盛兆華，張?jiān)实?，劉向?yáng)，王健平

(北京大學(xué) 工學(xué)院&燃燒推進(jìn)中心&力學(xué)與工程科學(xué)系&應(yīng)用物理與技術(shù)研究中心&湍流與復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100871)

引 言

爆轟燃燒近似于等容燃燒，具有熵增小、熱效率高等優(yōu)勢(shì)，以爆轟作為燃燒方式的連續(xù)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)在近些年被提出并得到快速發(fā)展，其有望解決推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域的瓶頸問(wèn)題。但關(guān)于連續(xù)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的許多問(wèn)題仍然亟待解決，該領(lǐng)域的一些理論與技術(shù)問(wèn)題還處于探索階段。

在連續(xù)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)中，爆轟波在燃燒室內(nèi)沿周向連續(xù)傳播，推進(jìn)劑從燃燒室頭部進(jìn)入，在燃燒室中形成新鮮氣體層。爆轟波消耗推進(jìn)劑產(chǎn)生燃燒產(chǎn)物，并在波后形成斜激波和接觸間斷，高溫燃燒產(chǎn)物膨脹加速并從尾噴管高速噴出，產(chǎn)生推力。連續(xù)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、熱效率高，是一種具有廣闊發(fā)展前景的新概念發(fā)動(dòng)機(jī)。前蘇聯(lián)的Voitsekhovskii在20世紀(jì)60年代首次提出了連續(xù)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的基本概念并在圓盤(pán)形燃燒室中形成連續(xù)爆轟波[1]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多課題組開(kāi)展了針對(duì)連續(xù)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的研究工作，并取得了很大進(jìn)展，例如連續(xù)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的模態(tài)和穩(wěn)定性[2-5]、流場(chǎng)細(xì)節(jié)[6-8]、爆轟波控制[9-10]、多相流[11-12]、可視化[13-14]和尾噴管[15-16]等。

連續(xù)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的湮滅再起爆問(wèn)題是該領(lǐng)域的重要課題之一。連續(xù)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)在起爆初期，初始爆轟波會(huì)發(fā)生湮滅，一段時(shí)間后流場(chǎng)中會(huì)形成新的爆轟波，這就是湮滅再起爆現(xiàn)象。該現(xiàn)象對(duì)連續(xù)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程具有重要影響，其演化過(guò)程與機(jī)理是急需解決的問(wèn)題。Kindracki等[17]的實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)了類(lèi)似現(xiàn)象，他們采用強(qiáng)激波進(jìn)行起爆，發(fā)現(xiàn)在壓強(qiáng)曲線中，首先出現(xiàn)一個(gè)較高的壓力峰，對(duì)應(yīng)于初始起爆的壓強(qiáng)，進(jìn)而壓力迅速下降，之后延遲一段時(shí)間(湮滅過(guò)程)才會(huì)出現(xiàn)連續(xù)爆轟波。他們認(rèn)為這段延遲時(shí)間的長(zhǎng)短取決于起爆的能量。Yao等[18]的實(shí)驗(yàn)中也出現(xiàn)了湮滅再起爆現(xiàn)象，他們發(fā)現(xiàn)連續(xù)爆轟波形成一段時(shí)間后，爆轟波發(fā)生了湮滅，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后連續(xù)爆轟波才再次形成。George[19]等在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了從起爆初期到連續(xù)爆轟波的形成之間有一個(gè)過(guò)渡時(shí)期。Yang等[20]在實(shí)驗(yàn)中采用了3種點(diǎn)火起爆方式，發(fā)現(xiàn)增加點(diǎn)火能量可縮短連續(xù)爆轟波形成的時(shí)間。Yao等[18,21]對(duì)湮滅再起爆現(xiàn)象進(jìn)行了比較深入的研究，首次在數(shù)值模擬中采用陣列式小孔進(jìn)氣，驗(yàn)證了湮滅再起爆現(xiàn)象的存在，并分析了其原因[21]。他們還通過(guò)數(shù)值模擬分析了空心圓筒燃燒室中的起爆、湮滅、再起爆的全過(guò)程[18]。但目前關(guān)于湮滅再起爆的過(guò)程和機(jī)理的研究仍然較少，再起爆的機(jī)理以及進(jìn)氣方式和尾噴管對(duì)再起爆現(xiàn)象的影響仍鮮有研究。

本研究考慮了帶尾噴管的空心圓筒燃燒室，采用了陣列式小孔進(jìn)氣方式，詳細(xì)研究了起爆、湮滅、再起爆和穩(wěn)定的過(guò)程和機(jī)制，并分析了尾噴管和陣列式小孔進(jìn)氣方式對(duì)湮滅再起爆現(xiàn)象的影響。首先，分析了起爆與湮滅的過(guò)程；其次，分析了再起爆現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，總結(jié)了尾噴管和陣列式小孔進(jìn)氣方式對(duì)再起爆所產(chǎn)生的作用；最后，采用時(shí)空分布圖的分析方法對(duì)流場(chǎng)中的爆轟波傳播，進(jìn)氣壁面附近溫度變化和新鮮氣體層的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析，總結(jié)出連續(xù)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)起爆、湮滅、再起爆和穩(wěn)定全過(guò)程的流場(chǎng)演化機(jī)制。本研究的意義在于明確連續(xù)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的起爆機(jī)理，有助于今后連續(xù)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的工程應(yīng)用。

1 計(jì)算方法

連續(xù)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的波系結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示[22]。

圖1 連續(xù)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的波系結(jié)構(gòu)Fig.1 Wave structure of continuous detonation engine

本研究算例的幾何構(gòu)型和連續(xù)爆轟波的計(jì)算結(jié)果如圖2所示。燃燒室為空心圓筒構(gòu)型，直徑為32mm，軸向長(zhǎng)度為30mm，尾部的Laval噴管的軸向長(zhǎng)度為16.1mm，噴管收縮比(噴管的入口面積與喉口面積的比值)為2。采用雙排陣列式小孔進(jìn)氣，外側(cè)小孔圓心距空心圓筒的圓心的距離為14.25mm，內(nèi)側(cè)小孔圓心距空心圓筒的圓心的距離為11mm，每個(gè)小孔的直徑為3mm。

圖2 計(jì)算域的幾何結(jié)構(gòu)和連續(xù)爆轟波的計(jì)算結(jié)果Fig.2 Geometry of computational domain and calculation results of continuous detonation waves

入口邊界條件是收斂噴嘴進(jìn)氣。收斂噴嘴進(jìn)口邊界條件將進(jìn)口壁面的每個(gè)網(wǎng)格視為一個(gè)微型收斂噴嘴。相似的入口邊界條件在RDE數(shù)值模擬中被廣泛應(yīng)用。根據(jù)入流總壓p0與壁面壓力pw的關(guān)系，將進(jìn)口情況分為以下3類(lèi):

當(dāng)pw>p0時(shí)，新鮮氣體未進(jìn)入燃燒室：

(1)

當(dāng)p0>pw>pcr時(shí)，新鮮氣體以亞音速進(jìn)入燃燒室：

(2)

當(dāng)pcr>pw時(shí)，新鮮氣體以音速進(jìn)入燃燒室：

(3)

臨界壓力pcr和臨界溫度Tcr分別為:

(4)

本算例的入流總壓為0.5MPa(5bar)，入流總溫為360K，推進(jìn)劑是預(yù)混、當(dāng)量比為1的氫/空氣。依據(jù)之前研究的結(jié)果以及符合現(xiàn)實(shí)情況的條件來(lái)對(duì)計(jì)算模型參數(shù)進(jìn)行選取。在之前的研究中[23]，發(fā)現(xiàn)收縮比為2時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)呈現(xiàn)4個(gè)爆轟波同向旋轉(zhuǎn)的模態(tài)。而同向爆轟波模態(tài)是比較穩(wěn)定的模態(tài)，所以噴管收縮比選為2。當(dāng)入流總壓為0.5MPa(5bar)，入流總溫為360K時(shí)，爆轟波前的新鮮氣體的壓強(qiáng)約為0.33MPa(3.3bar)，溫度約為320K，這個(gè)入流條件與實(shí)驗(yàn)狀態(tài)比較符合。數(shù)值模擬條件對(duì)應(yīng)于實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的連續(xù)爆轟波穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)的工作狀態(tài)。在尾噴管后方設(shè)置了較大區(qū)域的外流場(chǎng)，用來(lái)模擬真實(shí)的燃燒室出口狀態(tài)。計(jì)算時(shí)采用的網(wǎng)格為多面體網(wǎng)格，燃燒室前半部分的網(wǎng)格尺寸為0.075～0.15mm，后半部分的網(wǎng)格最大尺寸為0.25mm，網(wǎng)格總量約為634萬(wàn)。

本研究是在開(kāi)源計(jì)算流體力學(xué)平臺(tái)OpenFOAM上進(jìn)行的，使用了自定義求解器BYRFoam。該求解器在之前的研究中已經(jīng)得到了介紹和驗(yàn)證[24-25]。本研究的控制方程是帶化學(xué)反應(yīng)源項(xiàng)的歐拉方程，見(jiàn)公式(5)～(8)。本研究所采用的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理是Henry等[26]提出的氫/空氣詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。在之前的研究中已經(jīng)進(jìn)行了化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的驗(yàn)證和網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證[23]。在之前的研究中[10]，對(duì)比了不考慮與考慮黏性以及湍流作用對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。發(fā)現(xiàn)在不考慮與考慮黏性以及湍流作用的情況下，波系結(jié)構(gòu)是一致的。驗(yàn)證了忽略黏性和湍流作用的算例的準(zhǔn)確性。

(5)

(6)

(7)

(8)

2 結(jié)果與討論

2.1 連續(xù)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的起爆和湮滅過(guò)程

由熱點(diǎn)起爆產(chǎn)生的爆轟波在連續(xù)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行之初的傳播和演化如圖3所示。

圖3 熱點(diǎn)起爆形成的初始爆轟波的傳播(展開(kāi)圖)Fig.3 Propagation of initial detonation wave formed by hot spot ignition (expansion diagram)

在燃燒室頭部進(jìn)氣區(qū)域設(shè)置了1個(gè)環(huán)形熱點(diǎn)，熱點(diǎn)區(qū)域的壓強(qiáng)為1.5MPa(15bar)，溫度為2500K，熱點(diǎn)的徑向范圍為0.00925～0.016m。在熱點(diǎn)前方設(shè)置了預(yù)混的氫/空氣。在流場(chǎng)中取半徑為14.25mm的圓柱面(最外側(cè)小孔的圓心)，軸向與燃燒室軸向一致，再將圓柱面展開(kāi)，即可得到燃燒室最外側(cè)小孔圓心處的展開(kāi)圖。在2μs時(shí)刻，熱點(diǎn)引燃前方預(yù)置的新鮮氣體，形成了爆轟波。在爆轟波向右傳播的過(guò)程中，斜激波逐漸形成，并逐漸接近連續(xù)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管的收縮段。與此同時(shí)，爆轟波強(qiáng)度逐漸增大，在外壁面會(huì)反射出一道反射激波，如圖中橢圓圈1所示。外壁面處的反射激波是空心圓筒構(gòu)型連續(xù)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的重要特征。

進(jìn)氣壁面處的爆轟波的傳播和演化如圖4所示。爆轟波順時(shí)針傳播，并在30μs時(shí)刻形成了反射激波，如圖中橢圓圈2所示。

圖4 熱點(diǎn)起爆形成的初始爆轟波的傳播(進(jìn)氣壁面)Fig.4 Propagation of initial detonation wave formed by hot spot ignition (injection surface)

反射激波在燃燒室中的運(yùn)動(dòng)及其進(jìn)入新鮮氣體層后的強(qiáng)度變化如圖5所示。

圖5 反射激波的運(yùn)動(dòng)及其與新鮮氣體層的相互作用Fig.5 Motion of reflected shock wave and its interaction with fresh gas layer

首先說(shuō)明反射激波的形成原因。爆轟波后方的斜激波在連續(xù)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管收縮段反射，會(huì)形成向燃燒室壁面運(yùn)動(dòng)的反射激波，如圖5(a)中紅色箭頭所示。在66μs時(shí)刻，反射激波的一部分與斜激波碰撞，如圖5(b)所示，藍(lán)色橢圓圈1代表反射激波與斜激波碰撞的部分，綠色橢圓圈2代表反射激波沒(méi)有與斜激波碰撞的部分。在反射激波與斜激波的相互作用過(guò)程中，斜激波的角度也會(huì)發(fā)生改變，圖5(b)中展示了對(duì)撞前和對(duì)撞后，斜激波角度的不同，這是因?yàn)樾奔げㄇ暗臍饬飨鄬?duì)方向受到了反射激波的干擾。在96μs時(shí)刻，反射激波整體都與斜激波發(fā)生對(duì)撞，并傳播到進(jìn)氣壁面附近。當(dāng)反射激波進(jìn)入新鮮氣體層之后會(huì)得到加強(qiáng)，圖5(c)中的黃色橢圓圈3展示了反射激波傳播到新鮮氣體中的狀態(tài)，圖5(c)中的黑色橢圓圈4展示了新鮮氣體層的位置。

反射激波轉(zhuǎn)化為爆轟波的現(xiàn)象如圖6所示，以及新形成的爆轟波的傳播過(guò)程。在104μs時(shí)刻，反射激波強(qiáng)度增大并轉(zhuǎn)化為與原爆轟波傳播方向相反的新爆轟波，如圖6(a)中黃色橢圓圈1所示。在新爆轟波形成之前，激波的峰值壓力是1.71MPa(17.1bar)，所在位置的橫坐標(biāo)為0.0850m，原爆轟波所在位置的橫坐標(biāo)為0.0423m。在新爆轟波形成之后，新爆轟波的峰值壓力為4.6MPa(46bar)，所在位置橫坐標(biāo)為0.0780m，原爆轟波所在位置的橫坐標(biāo)為0.0530m?？梢?jiàn)激波在向原爆轟波運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中轉(zhuǎn)化為新爆轟波，波的峰值壓力大幅升高。新爆轟波與原爆轟波方向相反的原因是爆轟波前的新鮮氣體較多，新爆轟波會(huì)消耗原爆轟波前的新鮮氣體并向原爆轟波的波頭傳播，如圖6(b)中黃色橢圓圈3所示。圖6(a)中的黑色橢圓圈2和圖6(b)中的黑色橢圓圈4展示了原爆轟波前的新鮮氣體被新爆轟波消耗的過(guò)程。

圖6 新的爆轟波的形成和傳播過(guò)程Fig.6 Formation and propagation of new detonation wave

以上就是連續(xù)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)中爆轟波的起爆和湮滅的過(guò)程，發(fā)生湮滅的主要原因是流場(chǎng)中的激波進(jìn)入新鮮氣體，激波強(qiáng)度增大并轉(zhuǎn)化為和原爆轟波方向相反的新爆轟波，該新爆轟波與原爆轟波共同消耗盡新鮮氣體，同時(shí)連續(xù)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壁面附近由于兩個(gè)爆轟波的存在導(dǎo)致其壓強(qiáng)增大，新鮮氣體無(wú)法進(jìn)入燃燒室。

2.2 再起爆現(xiàn)象產(chǎn)生的原因

湮滅再起爆的過(guò)程如圖7所示。在136μs時(shí)刻，流場(chǎng)中的激波在連續(xù)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管收縮段發(fā)生反射，形成反射激波。流場(chǎng)中的新鮮氣體層很稀薄，不足以支持爆轟波的連續(xù)傳播，如圖7(a)所示，新鮮氣體層的最大厚度值為0.0010m。在202μs時(shí)刻，燃燒室內(nèi)的已燃?xì)怏w逐漸經(jīng)尾噴管排出燃燒室，燃燒室進(jìn)氣壁面附近的新鮮氣體增多，形成明顯的新鮮氣體層，如圖7(d)所示。流場(chǎng)中的一些反射激波會(huì)傳到下游，并有一部分進(jìn)入新鮮氣體層，圖7(b)中的藍(lán)色橢圓圈1是反射激波進(jìn)入新鮮氣體層的部分，綠色橢圓圈2是反射激波沒(méi)有進(jìn)入新鮮氣體層的部分，可見(jiàn)經(jīng)過(guò)與新鮮氣體的相互作用，反射激波強(qiáng)度變大。在206μs時(shí)刻，反射激波轉(zhuǎn)化為爆轟波，如圖7(c)中的黃色橢圓圈3所示。在212μs時(shí)刻，爆轟波和斜激波都已經(jīng)形成，新爆轟波向右傳播，如圖7(d)中的紅色橢圓圈4所示。圖7(c)中的黑色橢圓圈5和圖7(d)中的黑色橢圓圈6展示了新爆轟波消耗新鮮氣體的過(guò)程。

圖7 湮滅后，爆轟波再次形成的過(guò)程Fig.7 Process of reinitiation of detonation wave after quenching

圖8 反傳波轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z波的過(guò)程Fig.8 Process of reversed shock wave transforming into detonation wave

上文分析了爆轟波再次形成的過(guò)程和原因，但爆轟波不僅可以通過(guò)反射激波與新鮮氣體的相互作用而產(chǎn)生，還可以通過(guò)反傳波而產(chǎn)生，反傳波轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z波的過(guò)程如圖8所示。反傳波的定義是與爆轟波的傳播方向相反的激波。在陣列式小孔進(jìn)氣條件下，連續(xù)爆轟波前方的新鮮氣體中會(huì)有一些帶狀的已燃?xì)怏w，連續(xù)爆轟波經(jīng)過(guò)新鮮氣體和已燃?xì)怏w的交界面處會(huì)產(chǎn)生反傳波，如圖8(a)中的綠色橢圓圈2所示。反傳波靠近進(jìn)氣壁面的部分會(huì)進(jìn)入新鮮氣體，如圖8(a)中的藍(lán)色橢圓圈1所示。反傳波進(jìn)入新鮮氣體并得到加強(qiáng)，在248μs時(shí)刻轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z波，如圖8(b)中的黃色橢圓圈3所示。在256μs時(shí)刻，爆轟波和斜激波都形成并向右傳播，如圖8(c)中的紅色橢圓圈4所示。波前的新鮮氣體逐漸被消耗，如圖8(b)中的黑色橢圓圈5和圖8(c)中的黑色橢圓圈6所示。

以上是連續(xù)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)中爆轟波的再起爆的兩個(gè)原因，綜合來(lái)看，激波進(jìn)入新鮮氣體并得到加強(qiáng)是再起爆的決定性因素，并且爆轟波傳播所產(chǎn)生的反傳波是其他爆轟波產(chǎn)生的誘因。

2.3 起爆、湮滅、再起爆和穩(wěn)定的全過(guò)程流場(chǎng)演化機(jī)制

流場(chǎng)中某一點(diǎn)的壓強(qiáng)—時(shí)間曲線和爆轟波壓強(qiáng)時(shí)空分布圖如圖9所示。圖9(a)是流場(chǎng)中靠近進(jìn)氣壁面某一點(diǎn)的壓強(qiáng)—時(shí)間曲線，具體位置如圖9(b)中的藍(lán)色實(shí)線所示，具體位置的坐標(biāo)值為(0.01425m，0m，0.0001m)。壓強(qiáng)—時(shí)間曲線與Kindracki等[17]的湮滅再起爆的壓強(qiáng)信號(hào)定性符合。當(dāng)爆轟波經(jīng)過(guò)該位置時(shí)，壓強(qiáng)—時(shí)間曲線上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)尖峰。圖中的黑色圓圈是每個(gè)尖峰的峰值所在位置，紅色散點(diǎn)代表壓強(qiáng)—時(shí)間曲線的尖峰出現(xiàn)的頻率。紅色橢圓圈1代表起爆初期的壓強(qiáng)曲線的狀態(tài)。紅色橢圓圈2中沒(méi)有出現(xiàn)壓強(qiáng)尖峰，說(shuō)明流場(chǎng)中沒(méi)有爆轟波，這代表爆轟波湮滅的狀態(tài)。紅色橢圓圈3代表爆轟波再起爆的狀態(tài)。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的演化，流場(chǎng)中的爆轟波穩(wěn)定傳播，如綠色方框4所示。爆轟波趨于穩(wěn)定之后，爆轟波頻率也趨于68kHz左右，如藍(lán)色方框5所示。

圖9(b)為爆轟波的壓強(qiáng)時(shí)空分布圖。壓強(qiáng)時(shí)空分布圖是用來(lái)直觀的分析爆轟波的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和傳播過(guò)程。壓強(qiáng)時(shí)空分布圖的具體作法和分析方法已經(jīng)在Rong等[27]的研究中被詳細(xì)說(shuō)明。圖中的深色線代表爆轟波的傳播軌跡，橫軸代表時(shí)間，縱軸代表燃燒室周向的位置。圖9(b)中的藍(lán)色箭頭代表初始爆轟波的傳播方向，紅色箭頭代表由反射激波強(qiáng)度變大而形成的爆轟波，可見(jiàn)代表兩個(gè)爆轟波的深色線的斜率正負(fù)不同，這說(shuō)明兩個(gè)爆轟波的方向相反。兩個(gè)爆轟波的對(duì)撞點(diǎn)位于紅色圓圈6處。發(fā)生對(duì)撞之后，壓強(qiáng)時(shí)空分布圖中的線的深度變淺，這說(shuō)明爆轟波湮滅，流場(chǎng)中只存在一些激波。直到210μs 時(shí)刻附近，由于反射激波強(qiáng)度變大而形成爆轟波，發(fā)生了湮滅再起爆現(xiàn)象，如圖中紅色圓圈7所示。在252μs 附近，由于反傳波的強(qiáng)度增大而形成了爆轟波，如圖中紅色圓圈8所示。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的演化，最終流場(chǎng)中形成了3個(gè)同向穩(wěn)定傳播的爆轟波，如綠色方框9所示。

圖9 流場(chǎng)中某一點(diǎn)的壓強(qiáng)—時(shí)間曲線和爆轟波壓強(qiáng)時(shí)空分布圖Fig.9 Pressure—time curves and spatio-temporal distribution of pressure for the detonation wave

溫度時(shí)空分布圖是用來(lái)直觀地分析爆轟波的傳播和流場(chǎng)的溫度動(dòng)態(tài)特征，新鮮氣體高度時(shí)空分布圖是用來(lái)直觀地分析爆轟波前新鮮氣體動(dòng)態(tài)分布規(guī)律。溫度時(shí)空分布圖和新鮮氣體高度時(shí)空分布圖的具體作法和分析方法已經(jīng)在Rong等[27]的研究中被詳細(xì)說(shuō)明。溫度時(shí)空分布圖中的亮線代表爆轟波的傳播，較亮的區(qū)域代表高溫區(qū)，橫軸代表時(shí)間，縱軸代表燃燒室周向的位置。新鮮氣體高度時(shí)空分布圖中的白色區(qū)域代表新鮮氣體充足的區(qū)域。

在圖10(a)中，藍(lán)色箭頭代表的初始爆轟波和紅色箭頭代表的由反射激波形成的爆轟波對(duì)撞，對(duì)撞點(diǎn)由綠色圓圈1表示。相撞之后，圖中呈現(xiàn)出大范圍的較亮區(qū)域，這說(shuō)明已燃高溫氣體充滿了燃燒室頭部。在圖10(b)中，對(duì)撞點(diǎn)由綠色圓圈5表示，對(duì)撞之后呈現(xiàn)大范圍黑色區(qū)域，說(shuō)明新鮮氣體在一段時(shí)間之內(nèi)無(wú)法進(jìn)入燃燒室，這是連續(xù)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)湮滅時(shí)間較長(zhǎng)的原因。在圖10(a)中，綠色圓圈2和綠色圓圈3分別代表由反射激波轉(zhuǎn)化為的爆轟波和由反傳波轉(zhuǎn)化為的爆轟波。在圖10(b)中，金色圓圈6和金色圓圈7代表再起爆的兩個(gè)爆轟波?？梢?jiàn)，新鮮氣體剛在燃燒室中產(chǎn)生累積，再起爆現(xiàn)象就會(huì)發(fā)生。經(jīng)過(guò)演化，流場(chǎng)中形成3個(gè)穩(wěn)定的爆轟波，藍(lán)色方框4和橙色方框8代表穩(wěn)定爆轟波的動(dòng)態(tài)溫度變化和新鮮氣體層變化。

圖10 爆轟波溫度時(shí)空分布圖和新鮮氣體高度時(shí)空分布圖Fig.10 Spatio-temporal distribution of the fresh gas height and the temperature for the detonation wave

連續(xù)爆轟波起爆、湮滅、再起爆和穩(wěn)定的每個(gè)階段的流場(chǎng)演化機(jī)制如圖11所示。連續(xù)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)起爆之后，形成的初始爆轟波在尾噴管收縮段反射，形成的反射激波前傳至新鮮氣體層并得到加強(qiáng)，形成與初始爆轟波傳播方向相反的爆轟波。兩個(gè)方向相反的爆轟波消耗盡新鮮氣體并熄滅。之后進(jìn)氣壁面壓強(qiáng)逐漸降低，新鮮氣體逐漸進(jìn)入燃燒室，反射激波進(jìn)入新鮮氣體形成新的爆轟波，實(shí)現(xiàn)再起爆。由爆轟波與陣列式進(jìn)氣相互作用形成的反傳波進(jìn)入新鮮氣體，同樣可以實(shí)現(xiàn)再起爆。在爆轟波、激波和新鮮氣體的相互作用和演化過(guò)程之后，燃燒室中形成穩(wěn)定的爆轟波。

圖11 連續(xù)爆轟波起爆、湮滅、再起爆和穩(wěn)定全過(guò)程的流場(chǎng)演化機(jī)制Fig.11 Flow field evolution mechanism for the whole process of ignition, quenching, reinitiation, and stabilization of continuous detonation wave

3 結(jié) 論

(1)在起爆初期，斜激波在尾噴管收縮段反射形成的反射激波進(jìn)入新鮮氣體，形成了與初始爆轟波方向相反的新爆轟波，兩個(gè)爆轟波共同消耗盡新鮮氣體，導(dǎo)致了爆轟波的湮滅。

(2)湮滅之后，燃燒室頭部壓強(qiáng)較高，新鮮氣體在一段時(shí)間內(nèi)難以進(jìn)入，這導(dǎo)致湮滅會(huì)持續(xù)一段時(shí)間。之后已燃?xì)怏w逐漸通過(guò)尾噴管排出燃燒室，燃燒室頭部壓強(qiáng)降低，新鮮氣體逐漸進(jìn)入燃燒室，為再起爆創(chuàng)造了條件。

(3)連續(xù)爆轟波的再起爆有兩個(gè)原因：一是尾噴管收縮段處的反射激波進(jìn)入新鮮氣體層，其強(qiáng)度增大，最終反射激波轉(zhuǎn)化為爆轟波；二是已經(jīng)形成的爆轟波與陣列式進(jìn)氣相互作用，形成反傳波，反傳波進(jìn)入新鮮氣體，其強(qiáng)度增大，最終反傳波轉(zhuǎn)化為爆轟波。再起爆之后，經(jīng)過(guò)爆轟波、激波和新鮮氣體的相互作用和演化，爆轟波最終穩(wěn)定傳播。