标 题：基于液态航空煤油的旋转爆震燃烧特性研究

英文标题：Study on the Combustion Characteristics of Rotating Detonations Utilizing the Liquid Kerosene

作 者：赵明皓

指导教师：范玮 教授、王可 教授

培养单位：动力与能源学院

学 科：航空宇航科学与技术

读博寄语：岁月不居，天道酬勤

主要研究内容

传统喷气式航空航天动力装置中的燃烧方式为缓燃燃烧，技术水平已经相当成熟，常规手段下热效率的提升空间几乎不存在。因此，提高航空航天发动机的热效率需要寻求新的燃烧和循环方式。爆震燃烧接近等容循环，化学能释放的同时可实现自增压，由此亦能带来动力系统的结构简化和性能提升。目前，爆震燃烧及其应用已成为航空航天先进动力领域的研究热点。本项目依托于“陕西省航空动力系统热科学重点实验室”和“脉冲爆震推进实验室（火箭式）”，在西北工业大学博士论文创新基金资助下，针对旋转爆震燃烧特性开展研究，主要研究内容和结果如下：

研究内容一：点火方式对空桶型旋转爆震燃烧室起爆特性的影响

空桶型旋转爆震燃烧室在冷却结构设计和爆震波稳定传播特性等方面具有显著优势，但针对该类型旋转爆震燃烧室起爆方法的研究相对较少。因此，基于空桶型旋转爆震燃烧室，分别采用火花塞、垂直预爆管和切向预爆管三种点火方案，研究了点火方式对旋转爆震波起爆和工作特性的影响，为空桶型旋转爆震燃烧室点火方式的设计与选取提供借鉴和参考。结果表明，在空桶型燃烧室中采用三种点火方式均成功起爆并实现了爆震波的稳定连续旋转传播，观察到三种燃烧模态，即稳定爆震模态、不稳定爆震模态和缓燃模态；相比于火花塞点火，采用垂直预爆管点火和切向预爆管点火均能拓宽爆震波稳定传播的工作范围。此外，所研究的三种点火方式对旋转爆震波的传播方向影响均不明显。

图1 垂直预爆管点火起始过程的高速相机图像

研究内容二：点火位置对煤油两相旋转爆震波起爆特性的影响

点火位置的选取对气态旋转爆震波起爆和传播特性有一定影响，但采用化学反应活性更低的液态燃料时，点火位置对起爆特性有无影响以及如何影响尚无定论。因此，采用煤油和富氧空气，在不同氧化剂供给条件下，利用垂直预爆管点火，研究燃烧室轴向分布的四个点火位置对旋转爆震波起爆特性的影响，可为两相旋转爆震燃烧室设计和优化提供参考。结果表明，在四个位置采用垂直预爆管点火时，旋转爆震波的建立过程均可以分为三个阶段：缓燃燃烧阶段、缓燃向爆震转变阶段和稳定旋转爆震阶段。其中，缓燃燃烧阶段耗时较长，占爆震波建立时间的60%~80%左右，是制约旋转爆震燃烧室快速启动的关键因素。随着氧化剂质量流量的增加，旋转爆震波的建立时间呈先减小后增加的趋势，在氧化剂质量流量为224 g/s，当量比为0.68时，最容易快速建立旋转爆震波。在本文的实验条件下，当氧化剂质量流量和当量比不变时，在#3位置处点火，形成稳定旋转爆震波的时间最短，且形成稳定爆震模态的工况范围最宽，即以喷注端面为原点，在燃烧室轴向距离为60 mm处安装点火器，形成稳定旋转爆震波的时间最短，对应的稳定爆震工况范围亦最宽。

图2 起始阶段的压力波形

研究内容三：燃烧室构型和出口收缩比对旋转爆震传播特性的影响

目前，基于特定的燃烧室构型，人们就某一特征参数对旋转爆震波传播特性的影响开展了诸多研究，但在相同供给条件下，比较不同燃烧室构型对旋转爆震波传播特性影响的研究尚不充分。因此，分别采用了三种燃烧室构型（包括环形、空桶型和凹腔形燃烧室），在相同的供给条件下，研究了燃烧室构型对旋转爆震波传播特性的影响，可为旋转爆震燃烧室设计和优化提供参考。

结果表明，在五个燃烧室构型中，成功实现了旋转爆震波的稳定传播，并观察到三种工作模态，即稳定爆震模态、过渡模态和双波对撞模态。空桶型燃烧室内的稳定爆震模态对应的当量比范围最宽，宽度为19 mm的环形燃烧室次之，宽度为15 mm的环形燃烧室最窄，两个凹腔形燃烧室的工作范围介于两个环形燃烧室之间，且工作范围随凹腔长度的增加而增加，但窄于宽度为19 mm的环形燃烧室的工作范围。燃烧室构型的改变对旋转爆震波起爆特性的影响较小，稳定旋转爆震波的建立时间均在8 ms以内。

图3 不同燃烧室内的传播速度标准差分布

此外，还实验研究了燃烧室出口收缩比对煤油旋转爆震波传播特性的影响。当收缩比大于2.5时，收敛段结构对煤油两相旋转爆震波的传播模态和传播速度影响较小；当收缩比从2.5增加至10，收敛段结构会影响旋转爆震波的稳定传播。随收缩比增加，爆震波稳定传播的范围不断减小，传播速度亦不断降低。此外，旋转爆震波的起爆时间随着燃烧室出口收缩比的增加而增加。

图4 旋转爆震波的平均传播速度

研究内容四：氧化剂环缝宽度对旋转爆震波传播特性的影响

国内外学者通过改变氧化剂流量，主要研究了氢气旋转爆震燃烧室的氧化剂环缝宽度对旋转爆震波传播特性的影响，但在不同当量比下，比较碳氢燃料旋转爆震燃烧室的氧化剂环缝宽度对旋转爆震波传播特性影响的相关研究仍不够充分。此外，凹腔形旋转爆震燃烧室同时兼顾了空桶型燃烧室爆震波传播特性较好和环形燃烧室推力性能较优等特点，具有较好的实际应用前景，但在该燃烧室构型内尚未开展喷注器设计方面的研究。因此，基于凹腔形旋转爆震燃烧室，在总质量流量不变的条件下，改变当量比，研究了氧化剂环缝宽度对旋转爆震波传播模态及传播特性的影响，可为凹腔形旋转爆震燃烧室喷注器设计与优化提供借鉴和参考。

结果表明，在三种氧化剂环缝宽度下，成功实现了旋转爆震波的稳定传播，改变氧化剂环缝宽度对稳定旋转爆震波的传播速度及波动程度影响较小。周期性振荡模态的当量比范围随着氧化剂环缝宽度的增加而扩大。在当量比为0.93时，相应的振荡周期为2898 Hz，且每个振荡周期包括爆震波解耦、缓燃波加速和爆震波形成三个过程。在稳定爆震模态中，受当量比影响，三种环缝宽度下的爆震波平均传播速度均随当量比的增加呈先增加后减小的趋势，在当量比0.7附近传播速度最高。

图5 不同传播模态的工作范围

主要创新点

（1）成功实现碳氢燃料旋转爆震波的稳定传播，并揭示了点火方式和点火位置对旋转爆震波起始特性的影响机制。结果表明，在空桶型燃烧室中采用三种点火方式均成功起爆并实现了爆震波的稳定连续旋转传播；相比于火花塞点火，采用预爆震管点火能拓宽爆震波稳定传播的工作范围。

（2）开展了燃烧室出口收缩比和燃烧室构型对碳氢燃料旋转爆震波起始特性和传播特性影响的实验研究。掌握了燃烧室出口收缩比对碳氢燃料旋转爆震波传播模态和传播速度的影响规律，阐明了有利于旋转爆震波稳定传播的燃烧室结构形式，为碳氢燃料旋转爆震燃烧室设计提供有利参考。

代表性创新成果

一、期刊论文

[1] Minghao Zhao, Ke Wang, Yiyuan Zhu, Zhicheng Wang, Yu Yan, Yongjia Wang, Wei Fan. Effects of the Exit Convergent Ratio on the Propagation Behavior of Rotating Detonations Utilizing Liquid Kerosene [J]. Acta Astronautica, 2022, 193: 35-43. (SCI: 000772023900004, EI: 20220311459431)

[2] Minghao Zhao, Ke Wang, Yiyuan Zhu, Qibin Zhang, Wei Fan. Experimental Investigations on the Propagation Characteristics of Rotating Detonations Utilizing the Ethylene-Air Mixture [J/OL]. Combustion Science and Technology, 2023. (SCI: 000928996500001, EI: 20230713580609)

[3] 赵明皓, 王可, 王致程, 朱亦圆, 李清安, 范玮. 燃烧室构型对旋转爆震波传播特性的影响 [J]. 航空学报, 2022, 43(5): 125372. (EI: 20222512261407)

[4] 赵明皓, 王可, 王致程, 朱亦圆, 于潇栋, 范玮. 点火方式对空桶型旋转爆震燃烧室起爆特性的影响 [J]. 航空学报, 2023, 43(1): 124870. (EI: 20220611611392)

[5] 赵明皓, 王可, 王致程, 焦中天, 范玮. 点火位置对两相旋转爆震波起爆特性影响的实验研究 [J]. 推进技术, 2023, 44(4): 2202046. (EI源刊)

[6] 赵明皓, 王可, 朱亦圆, 张玉坤, 黄忻昱, 范玮. 氧化剂环缝宽度对旋转爆震波传播特性影响的实验 [J/OL]. 航空动力学报. (EI源刊)

二、授权专利

[1] 范玮, 赵明皓, 孙田雨, 王致程, 王可, 朱亦圆, 焦中天. 一种旋转爆震发动机单向起爆装置. 专利授权号: ZL 2020103750147.

[2] 王可, 赵明皓, 朱亦圆, 孙田雨, 于潇栋, 张玉坤, 范玮. 一种可调节燃烧室宽度的旋转爆震燃烧室. 专利授权号: ZL 202110381644X.

[3] 王可, 赵明皓, 王致程, 朱亦圆, 范玮. 一种基于斯特林循环的复合冷却旋转爆震燃烧室. 专利授权号: ZL 2019103965150.

[4] 王可, 赵明皓, 郑家炜, 王致程, 刘赛南, 高煜杭, 范玮. 一种基于斯特林循环冷却的脉冲爆震发动机. 专利授权号: ZL 201910678000X.

[5] 范玮, 赵明皓, 郑家炜, 夏壹斌, 刘赛南, 王可. 一种基于虹膜光圈原理的变阻塞比爆震管. 专利授权号: ZL 201910341443X.

三、荣誉情况

[1] 2021年10月，博士研究生国家奖学金（教育部颁发）.

[2] 2022年10月，第四届“航空强国中国心”教育基金创新奖.

[3] 2022年12月，博士研究生国家奖学金（教育部颁发）.