圆柱形燃烧室内两相旋转爆轰波低频振荡不稳定性的实验分析

《Combustion and Flame》：Experimental analysis of low-frequency oscillation instability in two-phase rotating detonation waves within a cylindrical combustor

　　

摘要

本研究在一台圆柱形气吸气旋转爆震发动机（RDE）中以液态煤油为燃料进行了实验，旨在考察燃料射流演变与爆震模态之间的相互作用。实验覆盖了650–1250 K的来流总温范围和多种当量比（ER），并采用轴向高速成像和高压测量来表征燃料射流行为和旋转爆震波（RDW）动力学。在所有爆震工况下，RDW均以单波模式运行。通过波连续性、RSD_V和FFT分析，识别出三个区域：稳定爆震、钝化/熄火和不稳定爆震（伴随低频振荡）。稳定爆震的判据为RSD_V < 7.5%且存在单一主导RDW频率，而不稳定爆震则表现出额外的低频分量及更高的RSD_V。可操作性图显示，稳定ER范围从1250 K时的0.30–1.20收窄至650 K时的约0.30–0.44。RDW速度亏值与峰值归一化可见燃料射流高度随ER增大和来流总温降低而增加。在不稳定条件下，相对发光强度和燃料射流高度波动在高动量比下分别达到约150%和Rpv ≈ 0.85。低频调制表现出轴向相位滞后，其峰值与预估的Helmholtz模态或纵向声模态范围均不吻合。因此，该振荡更可能与耦合的压力反馈、燃料再分配及煤油蒸发/混合延迟有关。这些结果为液燃料气吸气RDE中光学观测到的煤油射流结构与RDW动力学耦合演变提供了实验证据。

引言

旋转爆震发动机（RDE）是一种基于爆震燃烧的压力增益推进装置。在RDE中，旋转爆震波（RDW）沿燃烧室连续传播，在紧凑的流道内实现快速释热。与传统的定压燃烧相比，爆震具有更高的理论循环效率和更快的能量转换速率，这使得RDE在高性能航空航天推进领域具有吸引力[1]。然而，RDW的起始和持续传播强烈依赖于局部混合状态、反应物反应活性以及燃烧室流场结构。在实际运行中，RDE可能出现速度亏值、模态转换、低频振荡或爆震熄火等现象[2,3]。因此，RDW稳定性仍是RDE发展面临的主要挑战。

以往研究从混合制备、反应物性质、热条件和运行范围等方面考察了RDW稳定性。Kindracki等[4]报告称，不均匀混合或超出适宜范围的当量比会扭曲RDW结构并使其传播失稳。Radulescu和Lee[5,6]表明，爆震不稳定性和传播极限与局部反应区结构密切相关。Shen等[7]发现，降低初始温度会促进近极限不稳定，增加速度亏值，并改变氢氧爆震的细结构。Michalski等[8]报告称，残余产物混合、反应物预燃烧和不完全爆震会改变RDW波前，增加波速亏值和性能损失。Xie等[9,10]建立了氢-气RDE的操作图，发现RDW在贫燃条件下倾向于退化为钝化。这些研究表明，RDW稳定性受混合、热力和运行条件耦合效应控制，而非由单一参数决定。

燃烧室构型也通过改变流道、波结构、壁面热负荷和声学响应来影响RDW稳定性。以往研究表明，腔体几何形状、通道宽度和内缸尺寸均可影响环形RDE中的RDW传播[[11], [12], [13]]。与环形燃烧室相比，中空或圆柱形燃烧室取消了内缸，简化了结构并避免了中心体热负荷，但增加的有效宽度和腔内流场可能改变RDW的建立与稳定性[[14], [15], [16]]。中空燃烧室中的声学模态也可能影响RDW的形成与稳定性[17]。近期的煤油两相RDC实验也表明，当量比、质量流量、燃烧模态和燃烧室构型对壁面热流分布有显著影响[18]。

在非预混RDE中，燃料供给同样影响RDW稳定性。RDW到达前的局部ER分布影响点火延迟、释热强度和自持传播[19]。燃料流量振荡、喷射响应延迟以及局部富燃或贫燃分层可能导致速度波动、模态转换和燃烧不稳定[20]。燃料分布和喷射位置也影响RDW传播位置和流场结构[21]。这些研究表明，RDW稳定性由燃料供给、混合制备和瞬时释热之间的耦合关系所主导。

在液燃料RDE中，这种耦合关系更为复杂，因为煤油的雾化、破碎、蒸发、热解和混合过程引入了额外的时间尺度及混合不均匀性。虽然煤油相比气态燃料具有更高的能量密度和更好的储存安全性，但这些过程使得RDW的起始和持续传播更加困难[22]。Meng等[23]在基于腔体的环形燃烧室中实现了气吸气煤油-空气RDW，并报告了非理想两相效应导致的大幅速度亏值。他们[24]进一步表明，腔体深度和喷射条件影响稳定RDW的传播。Zhou等[25,26]研究了煤油-热空气RDE，表明运行条件、氧质量分数和燃烧室/喷嘴构型影响RDW传播稳定性和性能。Han等[27]表明，液态煤油/富氧空气RDW可表现出不同的传播模态，其中单波模式的速度亏值低于双波模式，燃烧效率更高。这些研究表明，液燃料喷射、混合和模态选择与RDW稳定性和燃烧性能密切相关，但对RDW传播过程中时变液燃料射流演变的直接观测仍十分有限。

在RDE中，液燃料射流受到横向气流和周期性RDW经过的影响。尽管高速交叉流中的液射流穿透与破碎已得到广泛研究[28,29]，但RDE流场对燃料射流施加了额外的非定常激波、压力和释热扰动。近期研究考察了RDW与液滴或液柱的相互作用，表明液滴破碎、蒸发和喷雾不均匀性会影响两相RDW稳定性和速度亏值[[30], [31], [32], [33]]。然而，大多数现有研究仍将喷射条件视为固定不变，并未揭示可见燃料射流结构在实际RDE运行中如何随RDW压力和释热调制而演变。

因此，液燃料RDE中的低频不稳定性可能与燃料射流响应、燃料-空气混合、释热和燃烧室流场结构密切相关。在无中心体的圆柱形燃烧室中，开放式流道和腔内流场结构可以增强RDW、燃料射流和压力反馈之间的相互作用。然而，煤油燃料射流对RDW传播的动态响应及其在低频不稳定性中的作用仍认识不足。在本研究中，结合高压测量和高速光学诊断技术，考察不同运行条件下RDW传播模态、可见燃料射流演变及其相互关系。

章节摘要

实验装置

RDE实验台架如图1所示。实验采用直连系统，配合三元组分空气加热器来复现RDE来流条件。空气和氧气中燃烧酒精，随后补充空气和氧气以达到目标温度，出口氧质量分数为23% ± 0.5%。空气/氧气孔板和空气加热器喷嘴已在本测试中完成标定。实验过程中，空气加热器出口质量流量通过以下方法获得：

旋转爆震波特征

本节利用高压测量和光学可视化技术分析了操作范围和RDW特征。如图3所示，在650–1250 K来流总温测试范围内，RDE运行状态可分为三个区域：钝化或爆震熄火、稳定爆震和不稳定爆震。图3中的运行区域采用波连续性和RSD_V进行分类。当无爆震波持续传播时，判定为钝化或熄火工况。

图像分析方法

对高速图像进行处理，构建θ-t图并提取可见燃料射流高度。可通过θ–t图识别RDW的数量。在一个RDW周期内未出现额外的波带，证实该工况下为单波模式。

轴向光学观测采用单台高速相机完成，注射器区域的空间分辨率根据燃料注射器的像素尺寸进行标定。

实验过程中，燃烧发光强度在……

结论

本研究考察了圆柱形气吸气RDE中RDW传播及其与煤油燃料射流的相互作用。分析了来流总温和ER对操作范围、RDW稳定性、燃料射流演变及低频振荡的影响。主要结论如下：

• (1)
  在所有测试来流总温下，在适当的ER范围内均实现了稳定RDW传播。当ER低于0.30时，无法维持持续的RDW传播。稳定……

CRediT作者贡献声明

Junran Tan（谭俊然）：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，可视化，软件，方法论，调查研究，形式化分析，数据整理。Jishuang Gong（龚骐双）：监督，项目管理，调查研究，资金获取，数据整理，概念设计。Hao Chen（陈昊）：撰写 – 审阅与编辑，方法论，调查研究。Chuqi Xue（薛楚琪）：调查研究，形式化分析，数据整理。Qiaofeng Xie（谢巧峰）：撰写 – 审阅与编辑，可视化。Haizhao Liang（梁海照）：撰写 – 审阅与编辑，

Junran Tan|Jishuang Gong|Hao Chen|Chuqi Xue|Qiaofeng Xie|Haizhao Liang