旋轉爆轟燃燒室結構及穩定性研究

苗淼，鄧博陽，鄭洪濤

（1.海軍裝備部，西安710021；2.哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，哈爾濱150001）

旋轉爆轟燃燒室結構及穩定性研究

苗淼1，鄧博陽2，鄭洪濤2

（1.海軍裝備部，西安710021；2.哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，哈爾濱150001）

基于二維可壓歐拉方程，對充有當量比為1的氫氣/空氣預混氣的不同結構燃燒室進行數值計算。研究了爆轟波在不同坡度燃燒室內的傳播過程，分析了燃燒室內不同波頭數目對其性能的影響。研究表明：在燃燒室入口端采用適當的楔形結構，有助于提高沿單一方向傳播的爆轟波的強度，提高燃燒室做功能力；當燃燒室周向尺寸較大時，同時起爆雙波頭有助于提高其工作的穩定性。

燃氣渦輪；低污染燃燒室；旋轉爆轟；障礙物；雙波頭；增壓比

1　引言

目前的燃氣渦輪裝置中，均采用等壓模式來組織燃燒。但經過幾十年的研究和發展，采用這種燃燒方式的發動機的效率難以再產生新的飛躍，而且隨著科技的進步以及對其性能要求的逐步提高，等壓燃燒NOx排放高、火焰長度長以及阻力損失大等缺點也日益凸顯。所以，發展可增壓的低排放高效燃燒室，是解決目前問題的一個有效途徑。與傳統的發動機燃燒室相比，旋轉爆轟燃燒室因結構簡單、污染小及能量轉化率高等優點，受到越來越多的青睞［1］。

上世紀50年代，Voitsekhovskii等［2］就利用乙炔/氧氣的混合氣，在圓盤形實驗裝置中成功實現了旋轉爆轟，并且利用速度補償的觀測方法，對爆轟波的結構進行了研究，分析了爆轟波在流場中的傳播特性。2000年，美國普惠公司［3］分別采用非預混和預混的方式，對乙炔/氧氣的旋轉爆轟燃燒室進行了實驗研究，成功實現了波速為2 500 m/s的旋轉爆轟。Wolanski等［4-5］對貧燃狀態下氫氣與空氣的混合氣所引發的旋轉爆轟進行了實驗測試，分析了爆轟燃燒的性質，研究了爆轟波傳播速度與采用初始條件之間的關系。Kindracki等［6-8］在長1 325 mm、直徑128.5 mm的管道中，實驗研究了點火位置對以甲烷/空氣為推進劑的爆轟燃燒室特性的影響，發現在管道中心部位點火會獲得更大的爆轟壓力。Yi等［9］研究了不同形狀和尺寸尾噴管對旋轉爆轟燃燒室性能的影響，發現當燃燒室尾噴管長0.04 m、擴張角10°時燃燒室性能最好。

隨著人們對旋轉爆轟發動機關注的增加，我國也對其進行了一系列實驗研究。姜孝海等［10］對旋轉爆轟燃燒室內從點火到形成穩定旋轉爆轟的整個過程進行了研究，詳細分析了爆轟波在燃燒室內能穩定自持傳播的關鍵原因。張旭東等［11-15］對旋轉爆轟燃燒室進行了二維和三維數值研究，分析了穩定爆轟流場特征，研究了爆轟波結構及爆轟波在傳播過程中泰勒稀疏波對其波陣面的影響。周蕊等［16-17］采用追蹤粒子軌跡的方法，對旋轉爆轟燃燒室的熱力學循環過程進行了研究，其計算結果與理想的ZND模型吻合良好，熱力學循環熱效率為35.41%。邵業濤等［18-20］采用兩步化學反應模型，對連續旋轉爆轟燃燒室進行數值模擬，分析了燃料入射速度對爆轟波傳播過程的影響，表明當燃燒室入口處的噴射速度超過C-J速度時，旋轉爆轟流場中的爆轟波呈現出駐定狀態。隨后，考慮到在同軸圓管內產生爆轟波時內部的散熱問題，提出了無內柱的連續旋轉爆轟燃燒室模型，并對爆轟燃燒室出口處采用不同尾噴管的情況進行了研究，表明加裝拉瓦爾噴管時燃燒室的工作性能最好。

總體而言，國內外對旋轉爆轟燃燒室的研究，主要集中在爆轟波的形成過程及流場結構等方面，對燃燒室的結構及其工作過程的穩定性還鮮有研究。基于目前的研究現狀，本文通過數值模擬方法，將燃燒室入口端設計為楔形結構，研究了爆轟波在不同坡度燃燒室內的傳播過程，并分析了波頭數目對其工作穩定性的影響，可為充分利用旋轉爆轟燃燒室的優勢提供一定數據支持。

2　物理模型與計算方法

2.1物理模型

連續旋轉爆轟燃燒室為柱狀環筒形燃燒室，其結構如圖1所示。燃料經噴射孔進入燃燒室內，經高能量點火后，會產生沿圓環方向的爆轟波，并能實現繞軸方向的連續旋轉傳播。圖2為爆轟波在爆轟燃燒室內的三維傳播示意圖，圖中6示出了爆轟波的傳播方向。爆轟波掃過的區域壓力會有所降低，當其壓力低于噴注壓力時，可燃預混氣就會進入燃燒室內，以維持爆轟波的穩定連續傳播。

圖1　旋轉爆轟燃燒室三維結構示意圖Fig.1 The 3D structure of a rotating detonation combustor

圖2　爆轟波的三維傳播示意圖Fig.2 The 3D propagation process of detonation wave

在一定條件下，與燃燒室直徑相比，燃燒室厚度相對較小，所以可將其沿母線展開，形成如圖3所示的計算域。其中，圖3（a）為典型無障礙爆轟燃燒室的二維周向展開圖，圖3（b）為本文所采用的楔形爆轟燃燒室的周向展開圖。

2.2計算方法及邊界條件

基于理想氣體假設，所選取的反應物為氫氣/空氣按化學當量比進行預混的混合氣，采用顯式格式求解二維歐拉控制方程，忽略粘性、熱傳導和擴散等輸運效應。化學反應模型為有限速率模型，反應速率常數采用Arrhenius公式計算。計算域內所采用的邊界條件見表1。

2.3模型驗證

為驗證模型的可靠性，將本文計算所得結果與文獻中數值模擬結果進行分析。圖4（a）和圖4（b）分別為計算獲得的溫度場分布圖、Douglas數值模擬中得到的旋轉爆轟波基本結構，對比分析可發現二者吻合較好，能清晰觀察到爆轟波后的胞格結構，K-H不穩定波（圖4（b）中C處）也清晰可見，并且該結果與圖4（c）中Bykovskii通過實驗測量得到的內部流場結構定性一致，說明計算方法可靠。

表2給出了數值模擬得到的爆轟波的計算值，和利用CEA軟件計算的同等條件下的爆轟波的理論值。可見，計算的傳播速度比理論上的C-J速度小，其主要原因是燃燒室內旋轉爆轟波的非受限特性。總體上講，計算值與理論值吻合良好，驗證了此數學模型的可靠性。

圖3　計算域示意圖Fig.3 Computational domain

表1　計算域內各邊的邊界條件Table 1 The boundary conditions in the computational domain

圖4　達到穩定爆轟時的溫度分布云圖Fig.4 Temperature contours at steady detonation state

表2　計算值與理論值的對比Table 2 The contrast between computation results and theoretical results

圖5　楔形燃燒室內爆轟波傳播一個周期的壓力云圖Fig.5 Pressure contours of wedge shape combustor at a period

3　性能分析

3.1楔形燃燒室流場分析

圖5為在楔形爆轟燃燒室內，爆轟波傳播一個周期過程中的壓力變化云圖。可見，此時的燃燒室內爆轟波基本達到穩定狀態，爆轟波陣面的壓力峰值為6.38 MPa，爆轟波在傳播過程中與入口端的傾斜角并不固定。如圖中所示，爆轟波在t=T0和t= T0+T/2時的傾斜角，明顯比t=T0+T/4和t=T0+3T/4時的大。這主要是因為爆轟波分別經過x=0和x=0.15位置時，燃燒室入口邊界處存在著一個凸變，注入的燃料也會在這兩個位置處產生一定間斷，所以遠離燃燒室入口端的爆轟波會因燃料供應不足而逐漸減弱；同時，爆轟波經過這兩個位置時，也會先將遠離燃燒室入口的燃料燒掉，所以爆轟波與入口邊界的傾斜角會有所加大。隨著爆轟波的傳播，靠近燃燒室入口處的燃料供給充足，爆轟波的傳播又會逐漸趨于平穩，其與燃燒室入口邊界之間的夾角也逐漸減小，最終呈現出t=T0+T/4和t=T0+ 3T/4時的變化趨勢。此外，靠近燃燒室入口處爆轟波的壓力明顯比遠離燃燒室入口處的壓力大，這主要是因為在燃燒室入口端爆轟波受到了較大的壁面壓縮作用。

圖6為楔形燃燒室內基本達到穩定狀態、爆轟波傳播到550 μs時，燃燒室內的溫度、組分、密度及速度分布云圖。從計算結果可知，此時爆轟波陣面處的溫度峰值達3 270 K，密度峰值達6.47 kg/m3，速度峰值達1 720 m/s。從圖中可看出，此時燃燒室內大部分入口端面上的壓力都要小于噴注壓力，從而使氣流能源源不斷地進入到燃燒室內，也更加有力地保證了爆轟波在燃燒室內的穩定傳播。在x= 0.15 m處，因為壁面的出現，使得燃燒室內的氣體供應區變得不再規整和圓滑，從而導致燃燒室內氣體的溫度、密度及速度都出現了一定間斷。但總體來看，這并不影響爆轟波在燃燒室內的傳播。所以爆轟波能在楔形燃燒室內穩定傳播，并圍繞其壁面作連續旋轉。

圖6　楔形燃燒室達到穩定后的云圖分布Fig.6 The contours of wedge shape combustor at steady state

圖7　不同坡度下的壓力云圖Fig.7 Pressure contours with different slope entrances

圖8　不同坡度下的溫度云圖Fig.8 Temperature contours with different slope entrances

3.2入口端坡度對燃燒室性能的影響

圖7和圖8分別為在不同坡度下燃燒室內爆轟波傳播穩定時，燃燒室內的壓力和溫度分布云圖。可見，隨著燃燒室入口端坡度的逐漸增加，爆轟波強度逐漸增加，在燃燒室入口端尤為明顯。這主要是因為隨著燃燒室入口端坡度的增加，爆轟波受到壁面的壓縮作用也逐漸增強，使得燃燒室入口端爆轟波的壓力明顯大于遠離入口端爆轟波的壓力。隨著燃燒室入口端坡度的逐漸增加，燃燒室內新充入的預混氣的區域變得不再規整，爆轟波后方斜激波所出現的區域也隨著燃燒室入口端坡度的增加而變大且變得不太規整，楔形燃燒室內爆轟波后方出現的泰勒稀疏波的分布并不均勻，燃燒室入口處爆轟波的溫度明顯高于遠離入口處爆轟波的溫度。這是因為楔形燃燒室內入口端面處爆轟波的強度較大，以及爆轟波后方的爆轟產物會受到燃燒室入口端坡度的擾動作用。當燃燒室中間壁面高度達20 mm時，可看出此時燃燒室內的爆轟波雖然還可進行周期性連續旋轉傳播，但所形成的進氣區域變得極不規整，爆轟波在燃燒室內的工作也變得不夠穩定。下面以前三種相對較為穩定的情況進行分析。

表3給出了計算邊界條件相同時幾種坡度下燃燒室內性能參數的變化。可見，當燃燒室內所采用的中間壁面高度不大于15 mm時，隨著燃燒室入口端坡度的逐漸增加，爆轟波的傳播速度及其最大峰值壓力與坡度呈正比，而入口平均質量流量與坡度呈反比。隨著燃燒室入口端坡度的增加，燃燒室出口平均總壓也逐漸增加，從而造成其增壓比逐漸增加。為探究其原因，對不同坡度下燃燒室入口截面處的壓力進行計算。結果表明，三種情況下，燃燒室入口截面處的平均總壓分別為398 946 Pa、399 455 Pa、399 929 Pa。可見在一定范圍內，隨著燃燒室入口端坡度的提高，其入口截面處的平均總壓逐漸增加，雖然這種變化并不顯著，但是爆轟燃燒室具有增壓特性，最終造成出口平均總壓會有較大的增加和變化。當燃燒室中間壁面高度達到20 mm時，爆轟波在燃燒室的工作過程變得不夠穩定，從而導致其傳播速度及做功能力等都出現了大幅衰減；直到中間壁面高度達到25 mm時，燃燒室內不再形成進行穩定工作的爆轟波。所以，在一定范圍內，適當增加燃燒室入口端坡度，有助于提高其做功能力。

圖9　不同周向長度無障礙爆轟燃燒室內爆轟波波頭高度和入口質量流量隨時間的變化Fig.9 The variation of detonation wave height and mass rate at entrance with time in detonation combustor with different circumferential length

表3　不同坡度下燃燒室內性能參數的變化Table 3 The performance characteristics of combustor with different slope entrance

3.3雙波頭特性研究

3.3.1爆轟波波頭高度分析

研究發現，爆轟波在燃燒室內傳播過程中，其波頭高度呈現出一定的周期性變化。圖9給出了不同周向長度無障礙爆轟燃燒室兩個周期內爆轟波波頭高度和入口質量流量隨時間的變化。可見，周向長度為100 mm時，爆轟波在傳播過程中，其波頭高度的最大值為13.41 mm，最小值為3.96 mm，即使在一個周期內波頭高度也出現了很多波動。根據前人總結的經驗，當旋轉爆轟燃燒室周向長度較大時，爆轟波前方會充入更多的可燃預混氣，從而提高其做功能力。但燃燒室直徑的增大，會使得爆轟波在燃燒室內的傳播變得極為不穩定，最主要的表現就是爆轟波波頭高度的變化。

周向長度為300 mm時，爆轟波在傳播過程中，波頭高度呈現出較為明顯的周期性變化，其最大值為47.66 mm，最小值為8.62 mm，其變化范圍之大顯現出爆轟波在燃燒室內傳播過程中的較大波動性。與周向長度為100 mm時相比，爆轟波波頭高度的變化頻率有所降低，其最大值和最小值都有所增加，但最大值增加的幅度明顯比最小值增加的幅度大。從圖9中可以看出，燃燒室入口處的質量流量與爆轟波波頭高度呈現出相同的變化趨勢，但入口質量流量的變化明顯比爆轟波波頭高度的變化提前。這主要是因為之前的入口質量流量變化，導致了燃燒室內新鮮預混氣的三角形進氣區域變化，在維持爆轟波穩定傳播的情況下，也使后傳來的爆轟波波頭高度發生了變化。

3.3.2雙波頭燃燒室流場分析

針對燃燒室內爆轟波出現的不穩定現象，在燃燒室內采用雙波頭起爆的方式進行研究。當在典型無障礙旋轉燃燒室內同時起爆兩股爆轟波后，爆轟波傳播穩定時，燃燒室內一個周期內的溫度云圖如圖10所示。從圖中可以看出，燃燒室內所獲得的兩股爆轟波的結構基本相同，爆轟波及其后方斜激波處的溫度達到3 200 K左右，不同時刻兩股爆轟波之間的距離基本保持不變，說明兩股爆轟波的傳播速度基本相同。此時燃燒室內可非常清晰地看到兩個規整的三角形進氣區域，從而有效保證了爆轟波在燃燒室內的穩定傳播。與之前在燃燒室內進行的單波頭的情況相比，顯然在爆轟波的傳播過程中，爆轟波高度并未出現較大波動。所以當通過增加旋轉爆轟燃燒室周向尺寸來提高其增壓比時，可以考慮在爆轟燃燒室內同時起爆雙波頭甚至多波頭來維持其穩定。

圖10　雙波頭起爆后流場穩定后的溫度云圖Fig.10 Temperature contours

圖11　無障礙爆轟燃燒室內入口質量流量和出口平均總壓隨時間的變化Fig.11 The variation of mass rate at entrance and mean total pressure at exit with time in detonation combustor

為充分研究燃燒室內爆轟波波頭數目對其性能的影響，分別在無障礙爆轟燃燒室內和楔形爆轟燃燒室內進行計算研究。圖11為在無障礙旋轉爆轟燃燒室內分別起爆一股爆轟波和兩股爆轟波時，燃燒室內入口質量流量和出口平均總壓隨時間的變化。從圖11（a）可看出，爆轟波在燃燒室內穩定傳播時，其入口處的平均質量流量也呈現出周期性變化；相對于起爆一股爆轟波，起爆兩股爆轟波時變化趨勢在逐漸減弱，每個周期內入口處最大質量流量和最小質量流量的差值也在逐漸減小。起爆一股爆轟波時，燃燒室入口處的最大平均質量流量為171.13kg/s，最小平均質量流量為54.27 kg/s，波動性很大；同時起爆兩股爆轟波時，燃燒室入口處的最大平均質量流量為156.73 kg/s，最小平均質量流量為74.87 kg/s，其波動性有所減弱。

從圖11（b）可以看出，分別起爆一股爆轟波和兩股爆轟波時，出口最大平均總壓分別為1.67 MPa和1.19 MPa，最小平均總壓分別為0.50 MPa和0.54 MPa。起爆一股爆轟波時，出口平均總壓波動較大；起爆兩股爆轟波時，出口平均總壓也呈現出周期性變化，但隨著爆轟波的穩定傳播，其出口平均總壓波動逐漸減小，最終將近趨于平穩。所以燃燒室內爆轟波波頭數目會影響爆轟波傳播的穩定性。為提高燃燒室增壓比而采用較大周向尺寸的燃燒室時，可考慮在燃燒室內起爆雙波頭甚至多波頭來維持爆轟波的穩定傳播。

通過前文研究可知，楔形燃燒室具有比典型無障礙旋轉爆轟燃燒室更高的做功能力，在楔形燃燒室內同時起爆一股爆轟波和兩股爆轟波必將對其性能產生一定影響。下面通過在楔形燃燒室內壁面處分別起爆一股和兩股爆轟波，來分析波頭數目對楔形旋轉爆轟燃燒室性能的影響。

圖12（a）為不同波頭數目下燃燒室內入口質量流量隨時間的變化。可見，在燃燒室內分別起爆一股和兩股爆轟波時，燃燒室入口處的最大質量流量分別為155.96 kg/s和144.88 kg/s，最小質量流量分別為97.17 kg/s和97.15 kg/s。起爆一股爆轟波時，燃燒室入口質量流量呈現出一定的周期性變化，且波動性很大。起爆兩股爆轟波時，入口質量流量變化規律較為穩定。

圖12（b）為不同波頭數目下燃燒室出口平均總壓隨時間的變化。可見，燃燒室出口平均總壓隨時間也呈現出一定的周期性變化。起爆一股爆轟波時，燃燒室出口的最大平均總壓為1.55 MPa，最小平均總壓為0.64 MPa；起爆兩股爆轟波時，出口最大平均總壓為1.16 MPa，最小平均總壓為0.45 MPa。顯然，起爆兩股爆轟波時燃燒室出口平均總壓更小，波動范圍也更小，且其變化也較為穩定。所以，當楔形旋轉爆轟燃燒室尺寸較大時，同時起爆兩股爆轟波甚至多股爆轟波，也有助于提高爆轟波傳播過程的穩定性。

圖12　楔形燃燒室內入口質量流量和出口平均總壓隨時間的變化Fig.12 The variation of mass rate at entrance and mean total pressure at exit with time in wedge shape combustor

表4　不同燃燒室內波頭數目對其性能的影響Table 4 The effect of detonation wave number on the performance in different combustors

表4為分別在無障礙旋轉爆轟燃燒室和楔形燃燒室內起爆一股和兩股爆轟波后其性能參數的變化。可見，無論是在何種結構的燃燒室內，相比于起爆一股爆轟波，起爆兩股爆轟波時爆轟波的傳播速度、最大峰值壓力、入口平均總壓及增壓比都有所降低。主要是因為，當在燃燒室內起爆兩股爆轟波達到穩定工作狀態時，燃燒室內形成的爆轟波高度會有所降低，而爆轟波后方的斜激波會變長，其強度也逐漸增加，爆轟燃燒后所產生的氣流在經過斜激波時會有一定的熵增，從而造成一定的壓力損失，而斜激波越長這種損失越明顯，所以其出口總壓也會有所降低，最終造成增壓比也會有所降低。

4　結論

（1）將爆轟燃燒室入口邊界設置為楔形結構，有助于提高沿單一方向傳播的爆轟波的強度；在一定范圍內，楔形燃燒室內爆轟波的傳播速度及燃燒室的增壓比，都要比典型的無障礙爆轟燃燒室有所提高。在爆轟燃燒室入口邊界處采用適當的楔形結構，有助于提高其做功能力。

（2）在爆轟波的傳播過程中，波頭高度呈現周期性變化；隨著燃燒室周向尺寸的增加，爆轟波波頭高度的震蕩范圍減小；爆轟波波頭高度變化與燃燒室入口質量流量變化趨勢相同。

（3）當為提高爆轟燃燒室的增壓特性而采用周向尺寸較大的燃燒室時，可以考慮在燃燒室內同時起爆兩股甚至多股爆轟波來維持其穩定工作。但起爆兩股爆轟波時燃燒室內的壓力損失會有所增加，從而使得爆轟燃燒室的增壓要比起爆一股爆轟波時有所降低。

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Research on the structure and stability of rotating detonation combustor

MIAO Miao1，DENG Bo-yang2，ZHENG Hong-tao2
（1.Naval Equipment Department，Xi’an 710021，China；2.College of Power and Energy Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

Based on the two dimensional compressible Euler Equation，the numerical simulation on combustor with different structures was carried out.The fuel in the combustor was H2/air premixed gas and the equivalent ratio was 1.The propagation process of detonation wave in combustor with different slope entrances was studied，and the effect of different wave numbers on the combustor performance was analyzed. The results show that the appropriate slope for the combustor entrance can increase the intensity of the detonation wave which propagates along a single direction，and increase the working capacity of combustor.Initiating double detonation wave at the same time can improve the working stability of combustor when its circumferential size is lager.

gas turbine；low emission combustor；rotating detonation；obstacles；double detonation wave；pressure ratio

V231.3

A

1672-2620（2015）05-0006-08

2015-05-15

苗淼（1985-），女，陜西橫山人，工程師，碩士，主要從事燃氣輪機技術研究工作。