离散喷射对旋转爆震发动机(RDE)瞬态及稳态动力学的影响机制研究

旋转爆震发动机(RDE)作为新型燃烧技术，其喷射系统设计直接影响多爆震波形成与稳定性。本研究通过二维"解卷"计算模型，系统分析了离散喷射器数量(Ninj)和面积比(α)对爆震波动力学的影响，揭示了喷射间隙热斑形成、声阻抗变化等关键机制，为优化RDE喷射系统设计提供了理论依据。结果表明：高Ninj和低α促进多爆震波形成，但存在非单调性关系，系统表现出瞬态混沌特性。

　　

在推进技术领域，旋转爆震发动机(Rotating Detonation Engine, RDE)因其理论上更高的热力学效率、能量密度和机械简洁性而备受关注。这种通过连续传播的切向爆震波实现燃烧的技术，相比传统燃烧方式可显著提升性能。然而在实际应用中，RDE的性能与理论值仍存在明显差距，其中最关键的限制因素就是喷射系统的设计难题。

目前研究面临的核心矛盾在于：喷射系统通过多种复杂机制（如空间变化的反应物场形成、喷射器引起的波散射等）深刻影响着RDE的动态特性，但这些机制如何具体影响爆震波数量、对向传播爆震波的存在等特征尚不明确。更棘手的是，这些物理过程之间存在强烈的非线性耦合，使得建立普适性设计准则变得异常困难。现有研究多为特定设计的案例研究，缺乏系统性参数分析，这正是阻碍RDE性能优化的重要瓶颈。

为突破这一瓶颈，Georgia Institute of Technology的研究团队在《Proceedings of the Combustion Institute》发表了创新性研究。他们采用二维"解卷"计算模型，通过简化反应动力学和喷射器物理模型，实现了在保留多维复杂性的同时保持计算可行性。研究聚焦等间距喷射器与等温壁面交替排列的入口结构，系统性地改变了喷射器数量(N_inj)和面积比(α，喷射面积与入口总面积之比)两个关键参数。

技术方法上，研究采用基于OpenFOAM-9的自适应blastFoam求解器，运用四阶强稳定性保持Runge-Kutta(RK4SSP)时间积分方案。计算域采用600×180的网格，通过HLLC格式捕捉激波，MUSCL格式进行变量重构。非维度化控制方程包含质量、动量和能量守恒，采用单步Arrhenius型燃烧模型，固定Damk?hler数(Da=40)和质量流率(?=2.1)。边界条件设置包括周期性边界模拟圆周对称性、波透射出口边界以及特殊处理的离散喷射入口。

【结果部分】

1. 1.

   喷射参数对爆震波模式的影响

   研究发现离散喷射显著改变了系统动力学特性。与理想连续喷射相比，离散喷射使初始瞬态过程更短且更规则（低α除外）。关键发现是：喷射器之间的间隙成为新爆震波的"孵化器"，当行进激波与这些间隙中的高温区接触时，会通过SWACER(相干能量释放激波放大)机制形成新爆震。这种效应导致高N_inj和低α条件下更容易出现多爆震波，但该关系呈现显著的非单调性。

2. 2.

   参数连续变化的滞后现象

   通过动态调节α参数的实验揭示了系统的复杂动力学行为。当α从1.0缓慢降至0.4时，初始的单爆震模式保持稳定直至临界α值，之后系统进入爆震数量和方向不规则变化的混沌状态。值得注意的是，当α重新增加时，系统并不一定恢复原状态——在N_inj=15时，最终形成了包含额外爆震波的新稳态模式，表现出明显的滞后效应。

3. 3.

   多模式稳定性图谱

   通过预设1-3个爆震波的初始条件，研究绘制了不同(N_inj, α)参数空间下的稳定性图谱。结果显示在参数空间的高N_inj和α区域，1-3波模式可同时稳定存在，且这些模式的稳定边界随参数降低而收缩。这表明系统存在多个吸引子盆地，但各模式的吸引域呈现复杂的拓扑结构。

4. 4.

   实际喷射配置下的波特性

   在更接近真实工况的高N_inj(50-200)和低α(0.025-0.4)条件下，研究发现爆震波速度与α正相关，与波数(N_w)负相关。峰值压力在单波条件下达到最高，而平均温度随α降低而下降，这归因于更多冷新鲜反应物的存在。值得注意的是，平均压力未表现出明确的参数依赖性。

5. 5.

   瞬态过程的四阶段模型

   高分辨率分析揭示了爆震形成的典型四阶段过程：I)爆炸核的柱面衍射；II)压力波向爆震的快速转变及模式竞争；III)爆震波的自调节阶段；IV)稳态传播。其中第二阶段是决定最终波模式的关键期，此时高N_inj和低α会加速次级波产生，缩短该阶段持续时间。

【结论与意义】

本研究通过系统性参数分析，阐明了离散喷射系统影响RDE爆震波动力学的关键机制：

1. 1.

   喷射器间隙形成的热斑和变声阻抗环境促进了新爆震形成；

2. 2.

   系统表现出明显的多稳态特性，各稳态模式具有复杂拓扑的吸引域；

3. 3.

   爆震波数由初始瞬态的混沌动力学与喷射系统引入的新物理共同决定。

这些发现为理解RDE中复杂的波模式选择机制提供了新视角，特别是揭示了瞬态混沌在决定最终稳态中的重要作用。工程意义上，研究建立了喷射器设计参数(N_inj, α)与系统性能的定量关系，为优化喷射系统设计提供了理论指导。未来研究可进一步探索初始条件与最终状态的映射关系，以及更复杂喷射构型的影响，这些都将推动RDE技术向实际应用迈进。