非均匀流场中斜向爆震波的动态特性：火焰结构与稳定性

《Combustion and Flame》：The dynamics of oblique detonation waves in non-uniform inflows: Flame structure and stability

氢气/空气斜爆波发动机非均匀来流稳定性研究。通过二维数值模拟详细分析梯度型与正弦型非均匀来流（含当量比、压力、温度、速度）对爆波波前稳定性及火焰动态的影响，发现梯度型导致波前渐进偏移与过渡区变化，正弦型引发周期性调制和胞状火焰结构，大振幅振荡引发激波-反应前缘分离，定义了稳定性临界边界。

　　

张一晨|郑晓静|向高翔

西北工业大学极端力学研究所，中国西安，710129

摘要

斜爆波（ODW）发动机的成功运行在很大程度上取决于实际非均匀进气条件下爆波前端的稳定性，而这一现象目前尚未得到充分理解。本研究采用二维仿真，并结合详细的H₂/空气化学反应机制，系统地阐明了ODW结构对当量比、压力、温度和速度等参数的梯度型和非均匀性的动态响应。结果表明，梯度型进气会导致波前逐渐偏移并改变过渡轨迹；而正弦型非均匀性则会引发周期性调制，从而产生包括蜂窝状结构和局部熄火-重新点火循环在内的独特火焰现象。尤为重要的是，大幅度振荡会导致冲击波前沿与反应前沿的解耦，从而形成关键的稳定性边界。这些发现为进气扰动与爆轰燃烧之间的耦合机制提供了基础性见解，为高超音速推进系统的稳健设计提供了重要指导。

章节摘录

创新性与重要性声明

本研究系统地比较了多物理场非均匀性（包括当量比、压力、温度和速度）对斜爆波（ODW）的影响。其创新之处在于直接对比了梯度型和非均匀性，揭示了不同的波形调制及燃烧耦合/解耦机制。通过超越理想化的均匀进气条件，本研究为实际应用提供了重要启示。

物理与数学模型

图1展示了ODW的示意图及其计算域。图中假设进气和燃料在进气口混合后经历两个压缩阶段，随后进入燃烧室。燃烧室的一部分被选为计算域，左侧虚线代表进气边界，右侧和顶部的虚线分别表示其他边界。

关键进气参数的参数研究

在实际的ODW运行中，进气条件并非恒定，而是表现出复杂的非均匀特性。然而，直接分析这种高度复杂的多维非均匀流场往往会掩盖其背后的物理机制。因此，一种研究方法是首先在均匀进气条件下对每个关键变量进行单参数分析。这一基础步骤对于系统地理解ODW在更复杂条件下的行为至关重要。

结论

本研究通过结合详细的氢/空气化学反应机制的二维数值仿真，系统地研究了各种类型进气非均匀性（包括当量比、压力、温度和速度）对ODW的生成、结构及稳定性的影响。主要研究结果如下：

在均匀进气条件下，偏离化学计量当量比、压力或温度降低以及速度降低通常会延迟ODW的生成过程。

作者贡献声明

张一晨：撰写初稿、软件开发、方法设计、数据整理。郑晓静：项目管理工作、方法设计、资金筹集、概念构思。向高翔：撰写与编辑、监督工作、项目管理工作、方法设计、数据整理、概念构思。