自20世纪中叶以来，燃气轮机发动机在航空推进领域占据了主导地位[1]。目前，先进的燃气轮机发动机采用了恒压燃烧（布雷顿循环）技术，经过数十年的发展，该技术已经非常成熟[2]。然而，由于传统燃气轮机基本热力循环的固有局限性，进一步显著提升其性能变得越来越具有挑战性[3]。因此，探索新型和革命性的推进系统概念变得必要[4]。恒容燃烧技术具有显著提升热力循环效率的潜力，有望在该领域实现重大突破。典型的例子包括脉冲爆震发动机（PDEs）[5]、旋转爆震发动机（RDEs）[6]和波旋转子燃烧器（WRCs）[7,8]。作为一种高效的非稳态能量交换装置[9,10]，WRC具有结构简单紧凑的特点[11,12]，如图1所示。
WRC通过在恒容燃烧室内的燃烧产生压力增益[13,14]。当其与传统燃气轮机发动机集成时，可以显著提升热力性能[15,16]。这种集成可以显著提高系统性能，据报道比功率输出提高了25%-34%[17,18]，同时燃料消耗减少了25%-30%[19,20]。这使得飞机能够产生更大的推力并延长航程[21]。此外，与PDE和RDE相比，WRC在与传统燃气轮机发动机集成时表现出更好的兼容性。这些特性使WRC成为最先进的下一代推进技术的一个有希望的候选者[22]。因此，它吸引了全球许多机构的研究关注，旨在使这项技术成熟并应用于实际[23],[24],[25],[26],[27]]。
由于WRC的高速旋转这一独特运行模式，从燃烧开始到排气的持续时间极短[28]。因此，通道内的燃料-空气混合物必须在排气前以更快的速度燃烧，以在通道内产生更高的压力[29]。其理论优势的实际实现高度依赖于在有限的时间和空间尺度内的燃烧组织[30]。在受限空间中火焰加速机制的典型表现是“郁金香火焰”的形成和演变[31,32]。这一过程通常由流动扰动和压力波相互作用引起的火焰不稳定性引发，涉及持续的火焰加速、冲击波的生成和增强以及它们之间的复杂相互作用[33,34]。
为了实现WRC的理论高性能潜力并解决非稳态燃烧组织的挑战，燃烧增强技术领域的研究人员进行了广泛而深入的探索。李等人[35]通过安装部分阻塞通道流动面积的挡板来提高燃烧速率。研究表明，随着阻塞比的增加，压力和平均火焰传播速度都会增加，在阻塞比为38.91%时，峰值压力增加了200%。使用不同阻塞比的挡板时，火焰传播速度也得到了提升。魏等人[36]提出了一种在波旋转子通道内壁设置凸起的扰动结构。这种结构改变了通道内的压力分布，并增加了流场中的扰动，从而在燃烧的早期和后期显著加速了火焰。尽管针对波旋转子的燃烧增强技术发表的研究相对较少，但其他受限空间中的燃烧增强研究也对WRC具有参考价值。李等人[37]通过在方形管内安装圆形平板障碍物，在乙烯-空气混合物中实现了爆燃到 detonation 的转变（DDT）。平板障碍物增加了爆震室内的湍流强度，从而促进了火焰加速。秦等人[38]研究了带有障碍物的封闭管道中预混氢气爆炸的火焰传播，发现Kelvin-Helmholtz（K-H）不稳定性和Rayleigh-Taylor（R-T）不稳定性的强度随着障碍物数量的增加而增加，火焰传播速度与障碍物数量成正比。火焰加速归因于障碍物导致的流动面积减小引起的流动压缩。肖等人[39]研究了在相同阻塞比下不同形状障碍物的火焰加速效应，并得出结论，三角形障碍物更有利于火焰拉伸，从而促进火焰加速。
在通道中安装障碍物是燃烧增强的一种主流方法。然而，燃烧强度并不随障碍物数量的增加而线性增加，存在一个效益阈值[40]。这种策略的有效性高度依赖于优化配置，这意味着只有通过在适当位置放置适当数量的障碍物才能实现显著的火焰加速[41,42]。如果在WRC的每个通道中都添加障碍物，转子重量将直接增加，导致旋转动力学性能显著下降，包括驱动扭矩增加、启动能耗增加和系统响应延迟。更严重的挑战来自于离心载荷，由于质量的增加，离心载荷会随着旋转速度的平方而增加，这对转子的结构强度及其连接点提出了重大要求。此外，即使障碍物分布的微小偏差也可能破坏转子的质量对称性，导致动态不平衡。由此产生的振动不仅影响机械可靠性，还可能干扰精确的波系统匹配和端口密封，最终限制发动机的整体性能和服务寿命。
为了克服上述限制，本研究放弃了在旋转通道中安装障碍物的传统方法，提出了一种新型的固定式进气管道导向叶片设计方案。导向叶片已广泛应用于各种航空航天推进系统中，其核心功能是优化进气流的均匀性。相关研究充分验证了它们在性能优化方面的潜力。周等人[43]在旋转爆震燃烧器（RDC）的出口安装了直导向叶片，使流场更加均匀，从而提高了RDC的推力性能。在周等人的另一项研究中[44]，证明在涡轮上游安装导向叶片可以显著抑制压力振荡。在导向叶片调节流场后，振荡压力减少了64%。这些研究为在非稳态燃烧装置的流场调节中应用导向叶片提供了重要参考。然而，这些应用场景与WRC的基本情况有所不同。因此，我们设计了更符合WRC运行特性的导向叶片。具体来说，设计了一种集成有两排相反方向导向叶片的进气管道模块，其示意图如图2所示。该设计的核心在于主动生成大尺度涡流，这些涡流在后续发展中会被剪切和破碎，从而在燃烧阶段高效地预先形成具有高湍流动能和高均匀性的燃料-空气混合物，从而增强热量和质量传递。这不仅从物理上确保了优越的燃烧基础，还完全避免了在转子本身上安装障碍物所带来的质量、离心载荷和动态平衡风险。在本研究中，使用单通道波旋转子试验装置系统地研究了导向叶片对波旋转子燃烧器的燃烧压力和火焰传播动态的具体影响，验证了所提方案的有效性。这项研究可以为未来高性能波旋转子发动机的集成进气-燃烧器设计提供关键的理论和实验基础。
