旋转爆震燃烧室流场的快速设计与仿真方法

《Applied Thermal Engineering》：Rapid design and simulation method for flow field of rotating detonation combustor

　　•提出了一种名为RUSH的超快速模拟方法，该方法通过引入移动等效热源来避免处理复杂的煤油化学反应，从而大幅降低RDC模拟成本。•热源的厚度和温度是主要的校准参数；经过优化的模型能够在多种工作条件下将下游静压平均误差控制在4.4%以内。•该方法已在不同的当量比、高入口压力以及半尺寸微型燃烧器环境下得到验证，显示出对不同几何结构和运行状态的强普适性。•一个完整爆震循环的计算时间可降至传统全反应模拟的十分之一，有助于快速进行煤油燃料RDC的参数设计迭代。•这一轻量级工具适用于初步的结构优化和涡轮匹配评估，但其在捕捉精细的ZND爆震结构方面存在固有局限。引言传统燃气轮机基于等压燃烧的布雷顿循环运行，其燃烧过程不可避免地会带来较大的总压损失（通常为3–5%）和熵增，这从根本上限制了热效率的进一步提升[1]。为突破这一瓶颈，压力增益燃烧技术应运而生。该技术的核心在于通过爆震燃烧或接近恒容燃烧的方式，在释放热量的同时实现工作流体的压力上升[2]。爆震波以每秒数公里的速度传播，使得反应物在发生显著膨胀之前就能迅速完成燃烧，从而更接近热效率更高的汉弗莱循环或菲克特-雅各布斯循环。理论研究表明，与传统的延燃燃烧器相比，爆震燃烧有望使循环效率提升30%以上[2]。这一特点使得爆震燃烧成为突破现有航空发动机和燃气轮机性能极限的关键技术。对于以煤油为燃料的旋转爆震发动机而言，近年来其在火箭、冲压发动机和燃气轮机三大应用领域取得了显著进展[3]，[4]，[5]，[6]，[7]，[8]。在火箭推进领域，美国Venus Aerospace公司在2025年5月完成了世界上首个旋转爆震火箭发动机的飞行测试，飞行高度达到了1341米。此次测试验证了爆震波在真实飞行环境中的稳定点火和控制能力，为推进系统的小型化及高效化发展提供了重要数据支持。而在空射和高超音速推进领域，美国空军研究实验室正在致力于开发一种结合双模式冲压发动机和旋转爆震发动机的联合循环方案，旨在实现从零速到超过马赫4的宽范围飞行，进一步拓展旋转爆震技术在高速飞行器动力系统中的应用范围[9]，[10]。在燃气轮机领域，针对煤油燃料旋转爆震的研究正从实验室原理验证转向与涡轮机械的集成与匹配。美国海军和NASA共同进行了旋转爆震燃烧器与涡轮叶片的直接连接测试，重点解决非稳态脉冲流与涡轮进口之间的匹配问题[1]。相关研究表明，通过优化燃烧器结构和燃料喷射方案，有望使现有燃气轮机的发电效率比等压燃烧提高5%以上[11]。总体而言，旋转爆震技术正沿着“原理验证——部件集成——系统演示”的路径稳步发展，为下一代高效紧凑型航空航天推进系统奠定了技术基础[12]。在煤油燃料旋转爆震燃烧的数值模拟中，主要挑战来自于内部流场的高度非稳定性以及多波结构之间的强非线性耦合[2]。在旋转爆震燃烧器的封闭环形通道内，自维持的传播爆震波、随后的斜激波、接触/滑移面以及未燃燃料喷射区域相互交织，共同构成了极为复杂的波系[13]。爆震波前以每秒数公里的速度沿周向传播，随后是高温高压燃烧产物的快速膨胀。与此同时，新的推进剂不断注入，并与上一循环留下的高温产物相互作用，形成复杂的混合区域和局部再点火现象。如此多物理场、多尺度的瞬态波系演化要求数值方法既具备高分辨率的激波捕捉能力，又能准确描述湍流与燃烧的相互作用[14]。同时，网格尺度选择和化学反应机制的选择直接决定了煤油燃料RDC数值模拟的可靠性与计算成本[15]。为准确描述由爆震波引发的薄激波（其厚度通常在微米到毫米级别）及其与壁面和来流之间的相互作用，计算网格必须达到微米级精度，而这给工程规模的三维全环形RDC模拟带来了巨大的计算负担[16]。此外，真实航空燃料（即本研究所关注的煤油）的详细化学反应机制涉及数百种物种和数千个基元反应；目前直接耦合求解并不可行，因此需要开发简化机制或全局反应模型[17]。然而，机制简化可能会影响中间物种和点火延迟时间等关键参数的预测精度，进而影响爆震启动、熄灭和重新启动过程的模拟准确性。在保证物理真实性的同时实现高效计算，仍是当前RDC数值模拟研究的核心挑战。作为RDE研究中最主流的高保真数值方法之一，大涡模拟已被广泛用于解析多尺度流动与燃烧动力学。已有大量针对全尺寸氢气-空气旋转爆震燃烧器-定子集成系统的LES研究，揭示了爆震波与下游涡轮机械之间的相互作用[18]。LES在捕捉氢气与空气作为燃料的非预混环形燃烧器内的流场演化、燃料混合及波传播特性方面也表现出了良好效果[19]。除了数值算法的选择之外，学者们还发现边界条件设置对全细节模拟的预测可靠性有着重要影响，不恰当的配置会导致数值结果与实验数据出现明显偏差[20]。此外，对C?H?/O?非预混旋转爆震的特征化学时间尺度的深入分析，为优化爆震模拟中的时间步长和化学求解模块提供了重要参考[21]。尽管如此，将航空煤油的详细化学反应机制与大涡模拟直接耦合在工程尺度上是不可行的，因此需要采用简化机制或全局反应模型[22]，[23]。虽然简化的反应方案可以降低计算负荷，但它们不可避免地会降低点火延迟时间和中间物种分布等关键参数的预测精度。为应对高保真模拟带来的巨大计算负担，研究人员开发了多种加速和模型简化技术。结合GPU加速与扩展火焰面进展变量方法的方案，可显著提升完整RDE模拟的整体计算效率[24]。配备在自适应曲线网格上实现详细化学计算的求解器，能够适应复杂的几何边界和变化剧烈的爆震波结构，从而实现反应区和波系的高精度求解[25]。为了满足快速预测和概念性气动设计的需求，人们开发了基于投影的降阶模型，以在保留核心物理信息的同时压缩高维流场数据[26]。同时，还构建了基于替代数据且考虑物理规律的模型，以便在RDE的初步设计阶段兼顾计算速度与物理合理性[27]。除上述方法外，人们还采用GPU/人工神经网络框架来加速反应速率计算，这样在保持可接受精度的前提下可实现两倍以上的速度提升[28]。化学坐标映射方法则将化学反应转化为相空间求解方式，可使计算效率提升约5倍[29]。借助超级计算机进行大规模并行计算，也能将模拟周期从数周缩短至数天。即便有了这些先进技术，如何在保持高物理真实性的同时降低计算成本，依然是当前RDC数值研究的核心难题。随着煤油燃料旋转爆震燃烧模拟逐渐向实际工程应用迈进，复杂的多物理场耦合与巨大计算量之间的矛盾已成为制约研究进展的主要瓶颈[30]，[31]。采用详细的煤油反应机制进行完整的三维全环形非稳态RDE模拟，针对单一工作条件往往需要数周甚至数月的时间。如此低的效率无法满足快速迭代设计、燃烧器结构优化、燃料喷射方案调整以及宽范围工况评估等需求，而这些任务都需要大量的参数计算[22]，[32]，[33]。通过对现有文献和技术局限的全面梳理，当前高保真RDE模拟的四个核心问题可归纳如下。首先，激波与化学反应之间的多尺度耦合效应会导致严重的数值刚性。模拟时不得不采用极小的时间增量，因此大多数高保真方法仅能应用于小尺度或部分区域计算，难以在全环形发动机模拟中广泛应用。其次，航空煤油对应的煤油动力学机制极为复杂，包含大量的反应路径。任何对化学路径的简化都会扭曲真实的反应过程，从而导致点火特性、物种分布以及爆震动态行为的预测出现误差。第三，现有的加速和模型简化方法严重依赖高性能超级计算平台以及复杂的算法框架。它们虽适用于基础理论研究，但普通工程团队难以利用它们进行大规模参数筛选和快速设计迭代。第四，现有的高保真方法和加速方法普遍缺乏普适性。面对不同的几何结构、宽范围的工况以及不同的燃料类型时，很难保持稳定的计算精度，这限制了它们在RDE系统全周期设计中的应用。针对煤油燃料RDC存在的上述问题，本文提出了一种名为RUSH的方法（即带有等效热源的旋转爆震超快速模拟方法），旨在解决这一矛盾。RUSH方法的灵感来源于对爆震波物理特性的抽象：既然爆震燃烧的主要宏观效应是在激波后方瞬间释放大量热量，从而驱动工作流体的加压和膨胀，那么是否可以通过在特定空间位置注入能量来等效模拟这一热力学过程，从而避免直接处理复杂的基元反应？该方法借鉴了经典爆震理论中ZND模型对反应区的简化处理方式[34]，即将高度非线性的化学反应过程等同于一个预定义的能量源。这样一来，计算资源就可以集中在捕捉激波结构、波系相互作用以及燃烧器与其进出口边界之间的动态匹配上。RUSH方法的核心思路是打破爆震燃烧中化学反应求解与流场计算之间的紧密耦合，通过构建简化的能量释放模型来近似描述爆震燃烧的热力学效应。该方法并不追求对中间产物和基元反应过程的详细分析，而是注重准确再现爆震波传播速度、爆震波位置以及波后压力和温度等关键宏观参数。它能够将计算资源消耗降低一个数量级以上，为后续的燃烧器与涡轮的耦合匹配分析、多物理场耦合传热研究以及系统级性能优化设计提供可行的技术途径。只要模拟结果能够对关键设计参数保持正确的趋势响应，RUSH方法将为旋转爆震发动机的工程迭代提供重要的数值模拟支持。在本研究中，将在基准工况以及三种扩展工况下，对RUSH方法的结果与全球基准模拟数据进行对比分析。本研究旨在：（1）阐述等效热源的参数校准原理和流场嵌入策略；（2）验证RUSH方法在爆震传播特性和系统级压力指标方面的基准匹配性能；（3）量化在非设计工况入口参数和几何尺度下的模型预测误差，以确认其在多条件下的适应性；（4）明确所提出的快速模拟方法的固有局限、适用范围以及未来的优化方向。本研究的结果将为煤油RDC的结构优化、工况范围分析以及涡轮匹配评估提供一种轻量级、高普适性的快速模拟工具，同时为后续简化版的爆震燃烧模型提供标准化的多条件验证范式。章节片段RUSH方法：数值方法与验证为应对煤油燃料旋转爆震燃烧器的全局模拟所带来的巨大计算负担，本章详细阐述了所提出的RUSH快速模拟方法的完整数值实现体系。本章依次介绍了移动等效热源的物理原理与数学描述，明确了二维展开的计算域及相应的边界条件，并对比了RUSHResults中的不同求解框架。本章系统地比较了RUSH方法预测的流场特征与全局高精度基准模拟的结果，重点分析爆轰波的动态特性、总温度和静压的二维分布情况以及轴向质量平均的热力学参数，以此量化两者的一致性程度，并揭示关键热源参数的影响规律。

多条件扩展案例分析
在第三章对RUSH方法进行基础参数分析的基础上，本章进一步研究了该方法在三种扩展工作条件下的通用性，这些条件包括变化的当量比、更高的入口总压力，以及轴向和周向尺寸减半的微型化几何结构。研究以轴向质量加权静压和总温度分布作为核心评估指标，对相关结果进行了系统比较。

结论
为了解决在模拟煤油燃料旋转爆轰燃烧器时，由于复杂的化学动力学过程所带来的巨大计算负担，本研究提出了RUSH方法，并通过二维平面计算域上的多条件参数对比，对其性能进行了全面验证。该研究建立了关于移动热源的几何结构及其内部温度场的完整建模框架。

资金支持
本研究得到了中国国家自然科学基金青年科学基金（项目编号：52306060）的支持，项目名称为“基于拓扑流体二极管的亚音速进气及旋转爆轰燃烧器抗逆传播研究”。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

赵阳|郭尚光|黄吕蒙|陈展明|常一冰