《Acta Astronautica》：Investigation of a Tangential Injection Scheme for the Kerosene-Air Rotating Detonation Combustor
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旋转detonation发动机切向喷射角度对燃料蒸发效率、detonation解耦及推力性能的影响研究表明，0°-60°角时蒸发效率与推力提升显著，但超过80°角导致解耦熄灭，60°-80°角区间性能下降。
朱永斌|姚松柏|周叶奇|张文武
中国科学院宁波材料技术与工程研究所，中国宁波 315201
摘要
本研究通过数值模拟研究了切向空气喷射对煤油燃料旋转爆震发动机（RDE）的爆震行为和推力性能的影响。与正常的轴向喷射相比，切向倾斜的喷射方案引入了一个与爆震波（RDW）传播方向一致的周向速度分量。对切向喷射角度θ的参数研究表明，切向喷射方案改善了煤油液体的蒸发过程。这归因于尽管在爆震波下游存在高压区域，但仍能保持进入补充区的流体动量，从而抑制了液滴的积聚。此外，增强的液滴-空气相互作用促进了热量和质量的传递，进一步加速了蒸发过程。随着θ角的增大，RDW的传播速度也会增加，因为切向气流与之对齐；然而，过大的角度（θ > 80°）会降低轴向动量，导致液滴积聚、爆震解耦，最终引发熄火。切向喷射方案还改变了RDW前沿的结构，使得波前可以在右倾和左倾之间转换。推力性能分析表明，随着θ角的增加（最大至60°），燃料利用率和比冲有所提高；而更大的角度则会因有效轴向动量减少而降低性能。
引言
爆震燃烧是一种快速释放化学能量的方式，其中超音速冲击波和燃烧前沿在反应介质中共同传播。与通过热和质量扩散以亚音速进行的普通燃速燃烧不同，爆震涉及冲击波诱导的压缩过程与冲击波前沿后立即发生的几乎瞬时化学反应的耦合。这种耦合在薄反应区内产生了极陡的压力、温度和密度梯度，从而形成了一套根本不同的热力学和流体动力学条件[1]。
爆震在推进技术中具有多种理论优势，因为它通过类似于等容燃烧的过程将化学能转化为有用的功，产生更强的压力上升，而传统的燃烧发动机则基于接近恒压的过程[2]，[3]。在推进应用中，这一特性意味着更高的热力学效率，在理想循环中每单位燃料能产生更多的功，可能在特定运行条件下为给定发动机尺寸提供更大的比冲或推力密度，并且有可能实现更紧凑、机械结构更简单的硬件，减少了大型运动部件的数量[4]，[5]，[6]。旋转爆震发动机（RDE）是一类先进的基于爆震的推进系统，它们在一个环形或圆柱形的旋转爆震燃烧室（RDC）内利用一个或多个连续旋转的爆震波（RDW），如图1所示。RDE保持稳定的连续爆震过程，提供更平稳的推力，并可能具有更高的效率，最近在全球范围内引起了广泛关注[7]，[8]，[9]，[10]，[11]，[12]，[13]，[14]，[15]，[16]，[17]，[18]，[19]，[20]。
还有研究关注了入口条件不均匀性或波动对RDW的影响。例如，Hu和Zhang[27]通过添加燃烧气体（400–1800 K）来研究非理想流入条件下的甲烷-氧气RDC，发现形成了单波操作包络，但在外部通过解耦或碰撞重新引发而失败。Chen等人[28]探讨了不同总入口温度（300 K至900 K）下空气呼吸RDE的行为，模拟显示在较低温度下形成了单波，但由于混合不完全而在外壁附近减弱。在较高温度下，出现了多波，燃烧向外壁区域移动。Zhao等人[29]证明入口总压力的扰动会在RDE中引发多频率耦合振荡，主导频率由外部扰动与系统自然频率的相互作用决定。Zhang等人[30]研究了入口总压力的空间变化对RDW行为的影响，表明入口压力波动强烈影响爆震波速度、峰值压力和振荡频率，导致不稳定性。同样，Wang等人[31]发现入口总压力波动强烈影响气体-固体RDW的数量、方向和强度，较大的波动幅度可能阻止连续爆震。Huang等人[32]研究了不同燃料喷射位置的空心配置中的乙烯-空气RDC，结果表明喷射位置通过改变中心再循环区的物质和能量交换影响了RDW的行为。Song等人[33]研究了将特斯拉阀集成到RDC入口系统的有效性，结果表明特斯拉阀入口配置能够主动控制RDW的传播方向。
大多数现有研究主要考虑燃料-氧化剂混合物（气体或液体）沿轴向（即垂直于爆震波传播方向）进入RDC的喷射方案。然而，鉴于RDW的固有周向特性，对于液体燃料RDC来说，具有切向速度分量的入口流动可能更有优势。例如，这种切向方法可以将液滴沿着RDW前方更长的路径引导，增加它们在补充区的停留时间，从而在被爆震波消耗之前促进更完全的蒸发。另一方面，如果切向入射角过大，流动速度将主要由周向分量主导，而负责填充燃烧室的轴向速度会降至非常低的水平。这将导致爆震前沿超过进入的反应物并迅速烧尽可用燃料，从而使爆震减弱并最终衰减为普通冲击波，导致爆震熄火。因此，当前的数值模拟对不同入射角度下切向喷射的预热空气对煤油液体蒸发效率、爆震特性和RDW结构的影响进行了参数研究。此外，对于液体燃料RDC来说，实现有效的雾化、混合和均匀的空间分布面临重大挑战。一旦燃料注入高速气流中，其渗透深度有限，可能会在局部形成过富或过贫区域。这种不均匀性会阻碍理想的RDW传播，部分燃料最终会因为没有进入RDW前沿或处于无法维持爆震的当量比范围内而损失。因此，本研究有望为RDC的喷射方案设计提供有益的见解。
部分摘录
物理模型
为了计算效率，RDC采用沿环形圆柱母线的展开配置进行建模，忽略了通道厚度。计算域在x方向（周向，对应于31.85毫米）延伸200毫米，在z方向（轴向）延伸60毫米，如图2所示。底部边界代表高温空气入口，总温度为850 K，质量流量为100千克/秒（m）。这里我们考虑了切向
切向喷射对液滴蒸发的影响
为了研究预热空气的切向入口对RDW行为的影响，我们将θ角度变化范围设为±90°。后续分析重点关注煤油蒸发动力学、爆震传播特性、流场结构和推力性能。
图8展示了θ = 0°（即正常喷射方案）的基准情况下的流场。在这种情况下，煤油液滴和高温空气同时沿轴向注入
结论
通过对煤油-空气RDC进行二维数值模拟，系统研究了切向喷射角度对液体燃料蒸发过程、爆震传播特性和推力性能的影响。本研究的主要结论如下：
(1)预热空气的切向喷射增强了煤油液滴的蒸发，并改善了旋转爆震燃烧室中的混合效果。增加切向角度θ可以减少
CRediT作者贡献声明
张文武：监督、资源管理、项目行政。周叶奇：验证、软件。姚松柏：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、监督、资金获取、概念化。朱永斌：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、方法论、研究、正式分析
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了宁波市自然科学基金（2023J413）、国家自然科学基金（52306175）以及宁波市 Yongjiang 人才引进计划（编号2022A-210-G）的支持。
