通过同步化学发光成像技术研究空心燃烧室内连续旋转爆震的燃烧特性

《Combustion and Flame》：Combustion characteristics of continuous rotating detonation in the hollow combustor through synchronous chemiluminescence imaging

本研究通过同步化学发光成像技术，探究了空心燃烧室内不同喷管收缩比（CR=1~4）下连续旋转爆震（CRD）的燃烧特性，发现高发光区紧贴外壁而中心区域为低发光的脱燃燃烧，CR增加时中心反应区面积扩大但外壁发光强度先升后降，轴向反应区长度和发光强度随CR增大先增强后减弱，结构形态呈现分段的弯曲、连续线性及松散簇状。适当增大CR可增强中心高温循环区的预加热效应，但过高CR导致副燃烧破坏混合层，降低CRD强度。研究成果深化了对空心燃烧室内CRD自持机制的理解。

　　

范伟杰|彭浩阳|刘世杰|严成龙|张海龙|袁学强|钟胜辉|刘卫东

高超音速技术实验室，航空航天科学与工程学院，国防科技大学，中国湖南省长沙市410073

摘要

本研究利用同步化学发光成像技术，探讨了空心燃烧器中连续旋转爆震（CRD）的燃烧特性。实验使用常温下的乙烯和空气作为推进剂，空气的质量流量为350 ± 10 g/s。结果表明，由CRD波引起的高亮度区域附着在燃烧器的外壁上，而低亮度的层流燃烧发生在燃烧器的中心区域。随着喷嘴收缩比（CR）从1增加到4，燃烧器中心的层流反应区域逐渐扩大。然而，随着CR的增加，燃烧器外壁附近的爆震反应区的化学发光强度先增加后减少。此外，随着CR的升高，CRD反应区的轴向长度和化学发光强度也先增加后减少。相应地，CRD波的轴向反应区呈现出分段曲线形、连续线形和松散簇状结构。适当增加喷嘴的CR比可以增强中心高温回流区对新鲜可燃混合物的预热效果，从而提高CRD的强度。相反，过高的CR比会导致寄生层流燃烧，破坏可燃混合物层并进一步减弱CRD的强度。这些发现为了解空心燃烧器内的CRD流场提供了全面的认识，有助于深入理解CRD波的自我维持机制。

引言

爆震燃烧是一种超音速燃烧模式，包括一个诱导的冲击波和随后的反应区[1,2]。化学反应发生在冲击波后的压缩混合物中，产生高压高温的燃烧气体，从而维持冲击波的传播[3,4]。由于压力增益效应，爆震燃烧在快速放热过程中有望实现显著的热力学效率提升[5]。连续旋转爆震（CRD）发动机通过单次点火使一个或多个爆震波在燃烧器内周向旋转，产生相对稳定的推力。这些优势使得CRD发动机成为过去几十年基于爆震技术应用的研究热点[[6], [7], [8], [9], [10]]。

环形燃烧器和空心燃烧器是CRD发动机中常用的典型结构。环形燃烧器具有内外圆柱壁，而空心燃烧器只有外圆柱壁。在高爆震性氢燃料的情况下，环形燃烧器容易实现低传播速度[10], [11], [12]]。Bykovskii等人[13]发现，如果不向环形燃烧器中添加氧气，则无法引发丙烷-空气和煤油-空气的CRD。Cho等人[14]进行了乙烯-空气CRD实验，观察到CRD波以反向旋转模式传播，传播速度为994 ± 43 m/s。Wilhite[15]在环形燃烧器中进行了不同质量流量下的乙烯-空气CRD测试，发现CRD波只能在狭窄的操作范围内实现。Andrus等人[16]在环形燃烧器中进行了预混和非预混乙烯-空气CRD实验，发现CRD波的传播速度接近声速，导致较大的速度亏损。Fan等人[17,18]研究了环形宽度对乙烯-空气CRD传播特性的影响，证明燃烧器宽度至少为20 mm时可以成功引发CRD波[17]。有观点认为，宽环形燃烧器后向台阶处的高温回流区能够预热推进剂，有助于CRD波的稳定传播[18]。Wang等人[19]发现，使用较宽的燃烧器更容易获得稳定的乙烯/氧气富集CRD。总体而言，低爆震性燃料驱动的CRD在传统环形燃烧器中的传播性能较差，表现为较大的速度亏损、不稳定的传播模式和显著的传播不稳定性。

通过去除内圆柱壁，提出了具有较大宽度的CRD发动机空心燃烧器，并对其进行了验证[20,21]。Lin等人[20]在空心燃烧器中实验研究了甲烷-氧气CRD，发现CRD波以共旋四波模式传播，速度为1512 m/s。Zhang等人[22]发现，在空心燃烧器中，氢-空气CRD的传播速度达到了理论Chapman-Jouguet（C–J）速度的95.6%。此外，在具有良好爆震特性的空心燃烧器中，如乙烯-空气[23], [24], [25], [26]、甲烷-空气[27]和氨[28,29] CRD，也实现了稳定的CRD波。Wang等人[23]在空心燃烧器中进行了一系列乙烯-空气CRD实验，发现CRD波的传播速度超过了C–J速度的80%。Anand等人[24,25]在空心燃烧器中实现了稳定的氢-空气和乙烯-空气CRD，其传播速度分别约为理想C–J速度的90%和95%。Peng等人[26,27]在空心燃烧器中进行了氢-空气、乙烯-空气和甲烷-空气CRD实验，观察到稳定的氢-空气和乙烯-空气CRD的传播速度超过了相应的C–J速度，而稳定的甲烷-空气CRD的传播速度略低于C–J速度。Huang等人[28,29]在空心燃烧器中成功实现了低爆震性氨CRD，CRD波在单波模式下稳定传播。此外，当燃料注入空心燃烧器的内区域时，CRD波可以在没有外壁支撑的情况下自发旋转[30]。总体而言，这些研究初步证明了空心燃烧器在实现低爆震性燃料CRD方面的优越性。然而，关于空心燃烧器中CRD的燃烧机制的讨论仍不够充分。

近年来，一些研究开始探索空心燃烧器中CRD的燃烧特性。Zhang等人[31]逐渐缩短了环形燃烧器的内圆柱壁，发现空心燃烧器中的CRD工作范围明显增加。Peng等人[32]研究了内圆柱壁可变燃烧器中CRD反应区的轴向分布。结果表明，乙烯-空气混合物在上游的环形部分发生层流燃烧，在下游的空心部分发生爆震燃烧。他们进一步证明，延长内圆柱壁会增加寄生燃烧的强度和纵向范围，同时降低CRD的强度和工作范围。还研究了空心燃烧器中CRD反应区的径向分布。Kawasaki等人[33]通过减小内圆柱壁半径，将环形燃烧器逐步转变为空心燃烧器。高速化学发光成像结果显示，爆震燃烧发生在燃烧器的外壁附近，而层流燃烧发生在空心燃烧器的内部区域。Huang等人[34]利用高速头部视图可视化技术研究了空心燃烧器中CRD波的径向结构，发现CRD波的反应区附着在外壁上，而部分层流燃烧发生在空心燃烧器的内部。此外，Huang等人[35]直接研究了带有半内圆柱壁的环形燃烧器中CRD波的传播性能，发现空心部分的CRD波传播速度明显高于环形通道。此外，还进行了关于空心燃烧器中CRD流场特性的模拟[21], [36], [37], [38]]。Tang等人[21]发现空心燃烧器的内区域发生了一些层流燃烧，且带有空心燃烧器的CRD发动机的比冲低于带有环形燃烧器的CRD发动机。Sun等人[36]发现空心燃烧器的中心区域形成了一个回流区。现有研究获得了空心燃烧器中CRD波的宏观特性，如工作范围、传播模式和速度。然而，由于对CRD燃烧流场的了解不足，空心燃烧器中CRD波的深刻自我维持机制尚未得到全面揭示。仍需要通过先进的光学观测进一步验证CRD波在空心燃烧器中的关键燃烧特性，如空间分布和流场结构。

本研究提出了一个结构复杂的、光学可访问的空心燃烧器，以全面研究其中的CRD燃烧特性和详细结构。在燃烧器内同步进行了高速头部视图和侧视图化学发光成像，以捕捉CRD的反应区。通过化学发光图像同步揭示了反应区的轴向和径向分布。本研究旨在获得关于空心燃烧器中CRD基本燃烧特性和流场结构的详细信息。此外，还研究了喷嘴收缩比（CR）的影响。这些结果加深了对空心燃烧器中CRD自我维持机制的理解。

实验装置和条件

实验系统包括四个主要子系统：发动机燃烧器、供应和控制系统、点火装置以及数据采集系统。图中展示了本研究中使用的空心燃烧器的示意图。空心燃烧器的直径和长度分别为80 mm和120 mm。燃烧器末端连接了一个160 mm长的钢制Laval喷嘴。喷嘴收缩比（CR）定义为喷嘴入口与喉部的截面面积比

结果与讨论

实验中改变了喷嘴收缩比和总当量比（ER），同时保持空气的质量流量为350 ± 10 g/s。通过改变乙烯的质量流量，可以获得不同的ER范围。研究了空心燃烧器中CRD波的宏观传播特性，包括其工作范围

结论

通过同步高速化学发光成像和高频压力测量，研究了空心燃烧器中连续旋转爆震（CRD）的燃烧特性。在保持空气质量流量的同时，随着乙烯质量流量的变化，总当量比也进行了调整。随着喷嘴收缩比（CR）从1变为2再变为4，燃烧流场得到了全面揭示。

CRediT作者贡献声明

范伟杰：撰写——初稿、方法论、实验研究、数据分析、概念构建。彭浩阳：撰写——初稿、资金获取、数据分析、概念构建。刘世杰：撰写——初稿、实验研究、资金获取、概念构建。严成龙：撰写——初稿、软件开发、实验研究、数据分析。张海龙：软件开发、资源管理、项目协调。袁学强：撰写——初稿、数据可视化