低温氢-空气旋转爆轰波传播特性的数值研究及其在推进系统中的应用

为解决旋转爆轰发动机(RDE)在低温氢燃料应用中的性能优化问题，研究人员首次对100-1000 K温度范围内的氢-空气旋转爆轰波(RDW)开展数值模拟。通过Noble-Abel Stiffened Gas(NASG)状态方程和详细化学反应机理，发现100 K低温条件下爆轰压力可达140 bar，远超C-J值，且低温能提升爆轰波传播速度。该研究为开发高效、零碳排放的低温氢燃料推进系统奠定理论基础。

　　

在追求碳中和的全球背景下，氢能作为零碳燃料备受关注，而低温液态氢因其高密度特性成为航空航天推进系统的理想选择。旋转爆轰发动机(Rotating Detonation Engine, RDE)凭借其基于压力增益燃烧的独特热力学循环，理论上可比传统燃烧室提高10-25%的热效率。然而，当氢燃料温度降至100 K以下的低温区间时，其与空气混合物的爆轰传播特性尚属未知——这直接关系到低温氢燃料在RDE中的实际应用可行性。

针对这一关键问题，国内研究人员通过高精度数值模拟，首次系统研究了低温氢-空气旋转爆轰波的传播规律。研究团队构建了包含NASG状态方程和9组分19步详细反应机理的数学模型，在2D燃烧室中模拟了总温100-1000 K、总压3-7 bar工况下的爆轰波动态。计算采用25 μm网格分辨率和WENO-CU6格式，单案例耗时达86,000 CPU小时。

模型验证
通过对比NASA低温氢释放实验数据，质量流量预测误差<5%。在100 K条件下，爆轰胞格尺寸预测与文献[47]实验结果偏差约15%，验证了模型在低温反应流中的可靠性。

低温爆轰波传播特性
研究发现100 K低温工况下，爆轰波分裂为内外双波结构(DW_in
和DW_out
)，最终融合形成稳定传播的RDW。压力监测显示低温(100 K)使爆轰压力达到140 bar，是常温C-J值的7倍，且传播速度提升12%。温度场分析表明，虽然燃烧产物温度相近，但低温 inflow导致燃烧室出现显著的温度梯度。

温度影响机制
对比100-1000 K工况发现：低温通过增加混合物密度(100 K密度是1000 K的10倍)和雷诺数(Re∝ρ)，使湍流强度提升300%，这补偿了低温导致的化学反应速率下降。具体表现为100 K时爆轰压力是200 K的2倍，500 K的4倍，且波速随温度降低呈非线性增长。

压力影响特性
当保持100 K不变，将压力从3 bar提升至7 bar时，爆轰压力线性增加但波速仅提高3%。这表明压力主要通过改变反应物质量流量影响能量释放，而对波传播动力学影响有限。

工程应用价值
该研究首次量化了低温氢的爆轰增强效应：在70 mm直径燃烧室中，100 K工况比传统氢氧发动机提高比冲约15%。这种性能提升源自两方面：一是低温增加燃料密度使存储体积减少60%；二是高压爆轰波(>100 bar)可直接驱动涡轮而不需要多级压缩。

这项发表于《Fuel》的研究为低温氢燃料在RDE中的应用提供了关键理论支撑：通过揭示"低温-高密度-强湍流-高压爆轰"的耦合机制，证明将液氢存储温度(20 K)适当提升至100 K气相状态，既可保持高密度优势，又能获得更优的爆轰性能。未来可基于该成果发展适用于可重复使用运载火箭的三模态(吸气/火箭/爆轰)推进系统，推动零碳航空航天技术的发展。