铝/空气旋转爆震发动机中点火特性的数值研究

《Acta Astronautica》：Numerical study of initiation characteristics in aluminum/air rotating detonation engines

铝颗粒/空气旋转爆震发动机（RDE）起爆过程中，颗粒尺寸（0.5-0.8 μm）与注气总压对爆震波稳定性及传播机制的影响规律。研究发现，注气总压增加或颗粒尺寸减小可促进多波结构形成，抑制经典三焦点构型，且颗粒越小爆震波速度及总压增益越大，同时高注气压力下爆震产物浓度显著提升。

　　

韩婷薇|徐一华|焦琪|王宇

南昌航空大学动力与能源学院，中国南昌，330063

摘要

旋转爆震发动机（RDE）因其显著的优势而受到广泛关注，这些优势包括自加压、高热效率以及结构简单。与气体和液体燃料相比，固体燃料具有高能量密度、易于储存以及在运输过程中更高的安全性等优点。将固体燃料应用于RDE可以显著提高发动机的推力性能。实验已经成功使用铝颗粒实现了旋转爆震燃烧。然而，大尺寸颗粒在没有可燃气体辅助的情况下难以形成旋转爆震波（RDW）。为了了解铝/空气RDE中的爆震起始特性，本研究采用了带有预混燃料喷射的欧拉-拉格朗日数值方法。研究了在不同颗粒尺寸和喷射总压力下铝/空气RDE的起始过程，并分析了爆震波在起始阶段的传播机制。结果表明，爆震波在燃烧室入口附近不断引发新的爆震单元，以维持其稳定传播，形成了与经典三重点配置不同的多波结构。增加喷射总压力或减小颗粒尺寸都有助于在起始过程中形成稳定传播的爆震波。基于起始特性，进一步研究了在高喷射总压力下颗粒尺寸为0.5–0.8 μm的铝/空气RDE的流场特性。结果显示，在斜激波后方气体燃烧产物的浓度显著增加。此外，在总压力恒定的条件下，随着颗粒尺寸的减小，铝/空气RDE的爆震波速度和总压力增益都会增加。

引言

爆震燃烧近似于恒容燃烧循环，并实现自加压，其热循环效率比传统燃气轮机的恒压燃烧循环（布雷顿循环）高出约20% [1]。基于这一原理运行的旋转爆震发动机（RDE）具有明显的优势，包括熵增加较少、高热效率以及结构简单。与需要周期性点火的脉冲爆震发动机不同，RDE仅需要一次点火即可建立自维持的旋转爆震波（RDW）。这一特性使RDE在推进系统的轻量化和性能提升方面具有巨大潜力 [2]。

多年来，关于RDE的研究主要集中在气体和液体燃料上 [3]，[4]，[5]，而对固体燃料的研究相对较少，主要涉及煤粉和碳颗粒。Bykovskii等人 [6]，[7]，[8] 首次使用煤/氢/空气混合物实现了旋转爆震燃烧，开创了固体燃料领域RDE的研究。Dunn等人 [9]，[10] 通过改变质量流量、当量比和颗粒浓度等参数，实验研究了含碳颗粒的氢RDE中爆震波的传播特性。Zhu等人 [11] 采用欧拉-拉格朗日方法对煤/氢/空气的旋转爆震燃烧进行了数值模拟，发现氢/空气反应主导了RDW的传播。他们观察到，当氢含量降低到一定阈值以下时，RDW无法持续。Wang等人 [12] 采用欧拉-欧拉方法对涉及微米级、亚微米级和纳米级碳颗粒与氢/空气的旋转爆震燃烧进行了数值模拟。他们的结果表明，小于1微米的碳颗粒有效提高了RDE的总压力增益。与气体和液体燃料相比，固体燃料具有高能量密度、易于储存以及在运输过程中更高的安全性等优点。固体燃料驱动的RDE不仅可以继承爆震燃烧的热循环优势，还可以充分利用固体燃料的高能量密度，从而显著提高发动机的推力性能。

铝颗粒作为一种典型的金属固体燃料，被认为是RDE的理想燃料选择，不仅因为其体积能量密度高于碳颗粒，还因为其燃烧产物无毒且不含温室气体，这比肼等有毒推进剂具有显著优势 [13]，[14]。此外，与煤粉或碳颗粒不同，铝颗粒无需辅助可燃气体即可实现连续旋转爆震燃烧。Xu等人 [15] 在一个盘形燃烧室内使用中位直径为0.53 μm的颗粒实现了铝/空气旋转爆震燃烧。他们发现，在相同的燃烧室结构、空气质量流量和当量比条件下，铝/空气RDE产生的推力比氢/空气RDE高35%，斜激波后的峰值压力高11%。在另一项研究中，Jing等人 [16] 在氢/空气混合物中使用1 μm的铝颗粒成功实现了旋转爆震燃烧，但得出结论认为这种尺寸的铝颗粒需要氢的辅助才能维持连续的RDW。因此，铝/空气RDE对颗粒尺寸有严格的要求。全面了解颗粒尺寸如何影响爆震起始特性对于推进铝/空气RDE技术的发展至关重要。

然而，目前关于铝燃料RDE的研究仅限于少数实验发现，可靠的数值模拟研究明显不足。相比之下，基于爆震管的铝燃料爆震燃烧的实验和数值研究相对较为成熟。Borisov等人 [17] 实验研究了颗粒尺寸对爆震性能的影响，发现随着颗粒尺寸的减小，铝颗粒的爆震性能显著提高。Zhang等人 [18]，[19] 首次使用烟膜技术测量了管内粉尘爆震的爆震单元结构。在后续研究中，他们在不同的初始压力下使用了0.1 μm和2 μm的铝颗粒进行实验，观察到管内初始压力的增加提高了铝/空气混合物的爆震敏感性，而较大的颗粒尺寸则降低了这种敏感性。他们还指出，铝颗粒在爆震过程中的反应机制显著依赖于初始压力和气相动力学，表明基于燃料滴扩散理论的燃烧模型可能无法准确描述微米级铝-空气爆震的起始、过渡和传播过程。因此，Zhang等人根据实验结果开发了一种结合表面动力学反应和扩散反应的混合燃烧模型 [20]。Fedorov等人 [21] 使用欧拉-欧拉方法对铝颗粒爆震燃烧（1–10 μm）进行了数值模拟，证明了单元大小和特征尺度与颗粒尺寸呈幂律关系，这些尺度也与速度和热松弛过程相关。Khmel [22] 对亚微米和纳米级铝颗粒的爆震单元结构进行了数值研究，发现随着颗粒尺寸的减小，原本规则的单元结构转变为不规则形态。He等人 [23] 在欧拉-拉格朗日框架内开发了一种铝/空气爆震燃烧的数值模拟方法，该方法考虑了多种影响因素。通过追踪单个颗粒，他们阐明了颗粒相与气相之间的相互作用机制。他们的研究表明，在1–8 μm的颗粒尺寸范围和0.04–8 kg/m3的浓度范围内，爆震波压力和速度随浓度的增加而减小，单元大小大致与诱导区长度成正比。虽然铝颗粒在爆震管中的燃烧机制与RDE中的相同，使得基于爆震管研究的爆震燃烧模型理论上适用于铝燃料RDE的数值模拟，但由于RDE和爆震管在结构上的差异，起始过程存在显著差异。

总之，为了全面了解铝/空气RDE的爆震起始特性，本研究将采用基于铝颗粒爆震燃烧模型的数值模拟方法 [23]。研究将考察在不同颗粒尺寸和喷射总压力下的铝/空气RDE起始过程，分析爆震波在起始阶段的传播机制，以及不同颗粒尺寸下RDW的流场特性，从而为铝/空气RDE的设计提供参考。

部分摘录

控制方程

本研究采用欧拉-拉格朗日方法描述气相和颗粒相的流动特性，以及两相之间的质量、动量和热交换。与大多数先前用于两相RDW模拟的欧拉-欧拉方法相比，欧拉-拉格朗日方法可以更精确地捕捉单个颗粒的运动及其与气相的相互作用。旋转爆震燃烧中的流场极其复杂。

物理模型

目前，RDE大多采用环形燃烧室。本文也基于环形燃烧室对铝颗粒旋转爆震燃烧进行了数值模拟研究。假设燃烧室的径向通道宽度远小于其直径和轴向长度，流体域可以近似为一个无厚度的圆柱形腔体。展开后得到如图1所示的二维平面模型。这种方法忽略了...

铝/空气RDE的起始过程

在上述网格验证过程中，成功模拟了直径为0.53 μm的铝颗粒的旋转爆震燃烧。为了研究较大尺寸颗粒阻碍连续RDW形成的现象，本研究将研究范围扩展到0.5–8 μm的铝颗粒。分析了起始过程中爆震波的传播机制，以及颗粒尺寸和喷射总压力对其的影响...

结论

本研究采用欧拉-拉格朗日方法对铝/空气RDE进行了数值模拟。分析了不同颗粒尺寸在不同喷射总压力下的起始过程以及爆震波在起始阶段的传播机制。还研究了不同颗粒尺寸对高喷射总压力下RDW流场特性的影响。主要结论如下：

1. 在...

CRediT作者贡献声明

韩婷薇：撰写——初稿、验证、软件、方法论、概念化。徐一华：撰写——审阅与编辑、监督、资源、概念化。焦琪：验证、研究。王宇：撰写——初稿、可视化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金 [编号：51666012] 的财政支持。