喷雾特性对煤油/空气爆炸的动态特性及模式分布模式的影响

《Fuel》：Effect of spray characteristics on the dynamic characteristics and mode distribution pattern of kerosene/air detonation

两相旋转detonation combustor的雾化特性与燃烧模式动态关联研究。通过多原子化器组合实验及schlieren和PLIF可视化，揭示了kerosene/air两相RDW的流场混合特性、θ-t图动态演化规律，以及雾化特征与波数、速度亏损、模式转换的定量关系。发现滴径>10μm时微爆炸效应导致波结构失稳，5μm以下可实现气相RDW类流场，且氧化剂流量增大会提升稳定波数但降低φ_t阈值。

　　

秦文凯|文浩成|王冰

清华大学航空航天工程学院，北京100084，中国

摘要

本研究对使用不同类型喷雾器的煤油/空气两相旋转爆震燃烧器进行了实验研究。通过平面激光诱导荧光和斜纹法评估了喷雾器的喷雾流场和混合过程。将旋转爆震波（RDW）的时空轨迹转换为θ-t图，并结合简化数值模型进行分析，以探讨RDW的动态特性。观察到了多种燃烧模式，包括单波模式、反向双波模式、纵向脉冲爆震（LPD）以及模式转换现象，还有点火和熄灭现象。结果表明，随着波数的增加，RDW的速度亏损增大。在单波模式下，当当量比（φ_t）从0.7变化到1.0时，速度亏损先增加后减小，这归因于喷雾特性的非理想性。喷雾特性与RDW之间的耦合显著影响动态过程中的波形演变，在点火和熄灭过程中表现出不平衡现象，反馈过程接近LPD行为。相比之下，在模式转换期间观察到临界平衡状态，此时喷雾特性的动态变化可能导致新模式的出现。在稳定模式下，当氧化剂流量增加且φ_t减小时，RDW的数量会增加，这是由于特征液滴尺寸变小所致。雾化质量较差时，难以实现稳定的旋转爆震，导致熄灭或模式不稳定。此外，增加燃烧室通道宽度可以降低喷雾器的背压和RDW的速度亏损，有利于促进单波模式的形成并避免熄灭。

引言

旋转爆震发动机（RDE）最早由Voitsekhovskii在20世纪50年代实现，由于其潜在的压力增益和高热效率优势，被广泛认为是有前景的未来推进技术[2,3]。由于煤油在航空航天推进中的广泛应用，基于煤油的碳氢化合物无疑是空气呼吸式RDE的首选燃料。然而，煤油在液-气两相旋转爆震中的使用涉及燃料的喷雾过程，包括雾化、蒸发和混合[4], [5], [6], [7], [8]。这使得燃烧过程变得复杂，喷雾特性的作用尚未得到充分认识。

液-气两相喷射的特性对两相旋转爆震波的流场结构有显著影响，使其不同于气相RDW。最近的研究表明，由于液滴蒸发不完全，存在微爆炸现象。较大的液滴（>10 μm）无法在当前的RDW内完全蒸发和燃烧，而是会向下游迁移并发生二次燃烧[9,10]。它们最终在下一个RDW的接触点被点燃，导致微爆炸的形成。这些微爆炸足够强烈，可以在主RDW附近引发次级RDW并产生横向波，或产生相反方向的冲击波[9,11,12]。同样，由于两相喷射引起的混合效果不佳，空气的再循环区域扩大[13]，反应区的长度也增加[10,14,15]。Huang等人[16]还表明，液滴蒸发可以形成蒸发波，该蒸发波与入射冲击波耦合并共同传播。根据Salvadori等人的研究[17]，只有当雾化液滴尺寸相对较小时（约5 μm），才能观察到类似于纯气相爆震的流场结构。作为一种特殊情况，即使所有液滴都附着在壁上，爆震波也可以稳定维持[18]。因此，喷雾特性对两相RDW传播的影响是一个重要的研究课题，但在RDE条件下缺乏原位测量结果。

液滴尺寸是评估喷雾特性的重要指标，关于其对爆震特性的影响已有许多有价值的讨论。先前对液体二乙基环己烷（290–2600 μm）、癸烷（5–10 μm）和十二烷（8–20 μm）爆震的实验[19], [20], [21]表明，随着颗粒尺寸的增加，速度亏损增大，且燃烧单元尺寸约为气相爆震的两倍。Benmahammed等人[22]进一步得出结论，液滴直径是可爆性的限制因素。液滴尺寸对旋转爆震也至关重要[23]。较小的液滴（约5 μm）可以在RDW内完全蒸发，而较大的液滴（>20 μm）在RDW后发生二次蒸发，并以爆燃的形式消耗[15,24,25]，导致速度亏损随液滴尺寸的增加而增大[25], [26], [27]。Cao等人[26]发现，较大的液滴还会导致反应区和RDW从接触点分离，形成λ形结构。通过预热液体燃料，可以增强液滴的蒸发和两相射流的混合[28]，有利于RDW的自我维持。然而，Jin等人[29]认为，预热的空气可能导致填充区中的煤油蒸气自燃。Li等人[15,30]补充说，在燃料贫瘠或液滴尺寸较小（5 μm）的条件下，混合回流区与RDW之前的高温产物接触可能导致预燃并扰动流场。由于观测方法的限制，关于液滴尺寸影响的研究主要是数值模拟，因此无法完全反映实际RDE中的流场情况。

在两相RDE实验中，通常使用质量流量（$\stackrel{?}{m}$）和当量比（φ）来描述运行条件，从而建立与RDW特性的联系。现有关于燃烧模式的研究表明，随着煤油质量流量的增加和φ的减小，RDW的数量增加[31,32]。在燃料贫瘠极限附近增加φ可以增强RDW的峰值压力和稳定性[33]。同样，在相同的煤油质量流量下增加氧气含量会导致RDW速度升高，最高可达95% V_CJ[34]。此外，RDW的峰值压力与RDW的数量呈反比关系[35]。即使喷射参数保持不变，RDW的数量在运行过程中也可能发生变化（即模式转换），但其背后的机制和演变过程仍不完全清楚[36,37]。然而，由于原位流动和热量释放诊断的困难，只有少数研究人员进行了间接或定性的RDW测量[38], [39], [40], [41], [42]。很少有研究将喷雾特性作为运行参数考虑，或关注喷雾特性对RDW的影响[6,13,24]，缺乏喷雾特性与RDW属性之间的定量关联。此外，$\stackrel{?}{m}$和φ通常在燃烧室上游的准稳态管道中测量，这使得在点火、熄灭和模式转换等高度瞬态过程中难以表征RDW的动态特性[43], [44], [45]。因此，有必要引入新的动态分析方法。

RDW还对两相RDE中的喷雾过程具有反馈效应。燃料和氧化剂喷射器的恢复可能不同步，导致反应物的分布不均匀[46,47]。单波模式的峰值压力比双波模式高约50%，从而对氧化剂腔室造成更大的扰动[32]。然而，通过改变进气结构可以抑制RDW引起的压力扰动[48], [49], [50]。由于RDW的反馈效应，喷雾特性可能在动态过程中与其相互作用，涉及的机制和控制方法仍不明确。

本文研究了喷雾特性对RDW的稳态特性、动态过程和燃烧模式的影响。设计了五种不同的燃烧器和喷雾器组合，以实现不同的喷雾特性，并采用了一系列分析方法来分析动态过程。通过简化数值模型辅助，实验观察了模式分布模式，并探讨了参数的影响。

实验装置

两相旋转爆震的实验装置

使用的燃料是RP-3航空煤油（C10.623H19.687，M_r = 147.2）[51]，其在20°C时的密度为792 kg/m3。氧化剂是氧气和氮气的混合气体（O0.8N1.2，M_r = 29.6），氧气的体积分数为40.0 ± 0.5%。在化学计量条件下，燃料与氧化剂的质量比（F/O）_st为0.128。

实验系统的示意图如图1a所示。氧化剂的质量流量直接使用EMERSON K200S仪器进行测量（精度：±0.5%）。

喷雾器和混合特性

本研究采用高速斜纹成像技术可视化三种喷雾器的喷雾流场，并利用PLIF系统分析稳态背压下煤油喷雾器的混合特性。此外，使用颗粒计测量特征雾化液滴尺寸的分布。由于在点火测试中使用了轴对称喷雾器布局，并考虑到对称性以及设备的单点测量特性，因此只测量了1/30扇区的数据

总体情况

通过控制关键变量（如喷雾器类型、燃烧室通道宽度、${\stackrel{?}{m}}_{O,t}$和φ_t，进行了一系列两相旋转爆震实验。以下文本中的案例A1C1-0.50–0.83表示使用了喷雾器A1和燃烧器C1的组合，喷雾器流量为0.50 kg/s，φ_t为0.83，依此类推。

观察到了多种模式，包括单波模式、双波模式（同向和反向）、反向四波模式、LPD、熄灭和模式转换等

旋转爆震波的动态特性

非线性和非理想的动态过程，如喷雾和混合过程，导致旋转爆震波的复杂动态特性。喷雾特性与RDW之间的耦合主导了动态特性，点火和熄灭就是这种耦合导致的不平衡的例子。在不稳定模式下，这种不平衡被放大并转变为混沌燃烧模式。在模式转换期间，系统达到临界平衡

燃烧模式分布

通过总结实验和数值数据（图19、图20、图21、图22），构建了二维模式分布图。这些图显示了不同喷雾器和燃烧器组合（即Type A1C1、A1C2、A2C1、A2C2和A3C1）的模式分布与${\stackrel{?}{m}}_{O,t}$和φ_t的关系。由于实验设施的限制，参数范围不完整。当${\stackrel{?}{m}}_{O,t}$和φ_t过低时，煤油喷射压力会低于设计值

结论

本研究对煤油/空气两相旋转爆震进行了实验研究。使用喷雾器A1～A3详细分析了两相RDE的稳态特性、动态过程和模式分布模式。主要研究结论如下：

(1)

在实验中，最多可以同时维持四个RDW的稳定传播。不同稳定模式的速度亏损范围为5%至45% V_CJ，并且随着RDW数量的增加而增大。

CRediT作者贡献声明

秦文凯：撰写——审稿与编辑、可视化、方法论、调查、概念化。文浩成：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。王冰：撰写——审稿与编辑、调查。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（编号52306152和12441201）和北京自然科学基金（编号L241040）的支持。