超声速燃烧室中燃料喷射条件下射流障碍物促进火焰加速与爆轰引发机理

《Combustion and Flame》：Mechanisms of flame acceleration and detonation initiation promoted by jet obstacles in a supersonic combustor with fuel injection

　　

摘要

针对超声速流动中爆轰激发所面临的挑战，本研究引入多组强度不同的射流障碍物以增强爆轰发展。通过数值模拟研究了火焰加速机制以及层流转爆轰（DDT）过程。采用自适应网格加密（AMR）技术求解Navier-Stokes方程，结合详细的氢-空气化学反应机理，以捕捉完整的爆轰转变过程。研究表明，射流障碍物促进爆轰的机制在火焰加速的不同时空阶段存在差异。初期，射流障碍物主要通过流动不稳定性增大火焰表面积。随后，通过与主流相互作用产生大量复杂激波，从而触发激波诱导自燃和爆轰激发。为量化障碍物强度空间不均匀性对DDT过程的影响，设计了相关实验：在固定射流总质量流量的前提下，根据火焰加速过程中实测的时空压力演化规律改变局部强度分布。构建了将射流压差与特征尺度耦合的无量纲数 $P_J$，得出了DDT长度（$L_{DDT}$）与射流强度分布关系的预测模型如下：$L_{DDT} = 1.6 P_J^2 - 12.47 P_J + 87.26$。数值实验验证了该模型误差保持在5%以内，从而能够在规定总质量流量下快速预测使DDT距离最小化的最优射流强度配置。

新颖性与意义声明

本研究提出了一种空间差异化射流障碍物配置，作为超声速燃烧室中爆轰激发的主动可控策略。首次揭示了射流障碍物的促进机制随火焰时空演化的根本性变化，并清晰阐明了射流障碍物在不同时空阶段促进火焰加速和爆轰激发的机制。此外，建立了射流压力分布与 $L_{DDT}$ 关联的定量模型，实现了射流配置的快速优化，并为超声速推进系统中爆轰激发的控制提供了简洁实用的定量框架。

引言

爆轰燃烧具有快速释热和高热力学效率的特点，在高超声速推进方面具有相当大的潜力[1]，[2]，[3]。近年来，其应用已广泛扩展至脉冲爆震发动机（PDE）、旋转爆震发动机（RDE）[4]以及各类推进系统的加力燃烧室[5]。将爆轰燃烧模式引入传统恒压燃烧的冲压发动机，有望克服低飞行马赫数下的推力限制。因此，理解火焰加速机制并在超声速燃烧室中实现快速爆轰转变仍是一个核心研究挑战。

均匀预混气体中爆轰的点火机制已得到广泛研究[6]，[7]，[8]，[9]。然而，当爆轰发生在不均匀混合物中时，情况则显著不同。近年来，研究越来越关注不均匀混合物，但以往大多数研究采用理想化的温度或组分梯度来表示不均匀性[10]，[11]，[12]。然而，在实际超声速吸气式爆震发动机中，高速来流和燃料注入会导致组分、速度和温度的高度不规则分布，这与以往研究基于梯度的理想化假设存在显著偏差。已有研究对此类真实来流条件下的爆轰过程进行了模拟[13]，[14]，[15]，但在如此复杂条件下爆轰激发的统一框架仍未明确。

研究表明，在光滑管中引发爆轰极其困难[16]。使用均匀预混可燃气体时，在光滑管中通过火焰加速实现爆轰激发所需的距离为管径的15~40倍[17]。因此，在喷射器混合的不均匀条件下实现爆轰激发面临重大挑战。固体障碍物被引入管中以促进爆轰激发，这已被证明能有效减少火焰加速所需的距离和时间[18]，[19]，[20]。然而，当燃烧室流速较高时，这些方法会导致显著的推力损失[21]，[22]。因此，近年来许多学者提出利用射流障碍物（即通过横射流与主流之间的动量交换产生气动阻塞的横向气流射流）作为固体障碍物的低损耗替代方案，以促进DDT过程，作为解决此问题的潜在方案。Zhang等[4]对射流障碍物在不同类型爆震发动机中的应用进行了全面综述，指出利用射流障碍物促进点火的研究仍处于起步阶段。实验表明，射流障碍物会产生锚定火焰的回流区，且该区域的尺寸可通过改变射流与主流之间的动量比来调节[23]。Bluemner等[24]和Wang等[25]探索了射流障碍物促进DDT过程的机制。他们的发现表明，射流障碍物与主流的相互作用产生了大量涡结构，增加了流场的湍流度。这增大了火焰前锋面积，加速了火焰传播过程，最终通过相干能量释放激波放大器（SWACER）机制触发爆轰。射流参数（包括喷射压力[26]，[27]、位置[28]、温度[26]和喷射角度[29]，[30]，[31]，[32]，[33]，[34]）对火焰加速的影响日益受到关注，但这些参数控制DDT过程的具体机制仍不够充分。此外，大多数研究采用恒定射流压力，忽视了发展火焰流场的时空演化。Panicker等[35]指出，火焰在不同时空位置处的流场状态显著影响喷射过程。忽略伴随火焰增长的动力压力变化，会大大降低射流障碍物的有效性。

因此，本研究系统地研究了火焰加速过程的时空演化，并提出了一种上游压力较低、下游压力较高的新型差异化射流喷射策略，以实现火焰发展过程的优越控制。随后，分析了射流障碍物在各种时空条件下对火焰加速和爆轰激发的控制规律和影响机制。此外，系统地考察了不同射流压力配置对火焰加速和DDT过程的影响和控制物理机制。构建了一个将射流障碍物压差与特征尺度关联的无量纲参数，并建立了预测DDT所需距离的物理模型。

章节摘要

计算配置

PDE的内部流道与冲压发动机相似。冲压发动机在低超声速马赫数（3~5）下推力不足；爆轰燃烧通过提供显著的压升，可增强该工况下的推进性能。因此，本研究仅限于低超声速条件。本研究采用的燃烧室为光滑等径管配置。如图1所示，二维爆震管设计为矩形

火焰加速与DDT过程

在实际爆震发动机中，可燃混合物本质上是不均匀的，存在温度、压力和当量比（ER）梯度。为捕捉这种实际的不均匀条件，在点火前数值复现了超声速来流与横向喷射燃料之间的混合过程。

图3展示了在$1.4\text{ms}$时，沿不同轴向位置的氢质量分数分布，其中$X$表示距点火核心的下游距离。

结论

本研究提出了一种前弱后强注入压力配置的射流障碍物配置，并研究了其在不同时空条件下对火焰加速和爆轰激发的影响。结果表明，射流障碍物通过两种依次不同的机制促进DDT：早期阶段通过涡卷夹带增强火焰面积，以及后期阶段激波诱导热点形成，二者的相对贡献可

CRediT作者贡献声明

韩赫：撰写——初稿，调查，形式分析。赵国炎：调查。张黄伟：调查。李尚鹏：调查。梁健瀚：调查。蔡晓东：监督。孙明波：撰写——初稿。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本论文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金委员会（编号：12522214、12525202、12472339）和湖南省杰出青年基金（编号：2023JJ10048）的支持。

韩赫|赵国炎|张黄伟|李尚鹏|梁健瀚|蔡晓东|孙明波