正庚烷/空气两相旋转爆轰流场及燃烧性能数值模拟研究
摘要
爆轰燃烧过程近似于等容燃烧过程，在相同的进气压力条件下，爆轰燃烧的燃烧产
物相比于缓燃燃烧的燃烧产物具有更高的压力。爆轰燃烧的特点使得基于爆轰燃烧的循
环系统相比于基于缓燃燃烧的循环系统具有更高的循环效率。其中，旋转爆轰燃烧室因
其具有推力稳定、进气范围宽和仅需一次点火即可连续工作等特点正逐渐成为国内外的
研究热点。值得注意的是，相比于气态燃料，液态燃料具有贮藏安全性高、能量密度大
等特点，这使得基于液态燃料的两相旋转爆轰燃烧室在航空推进领域具有更加广阔的应
用前景。
在对两相旋转爆轰燃烧室进行设计之前，需要对两相旋转爆轰波的特征参数，如爆
轰流场特性和燃烧室推进性能等进行细致研究。值得注意的是，虽然目前关于两相旋转
爆轰的研究已经被广泛开展，但在研究中存在部分不足：例如爆轰波与液滴之间的相互
作用关系不清、关于爆轰流场内的化学反应过程的研究尚未开展等。根据当前两相旋转
/
爆轰研究中面临的关键性问题，本文以正庚烷空气为燃料，在不考虑壁面冷却问题的前
提下，对两相旋转爆轰波的形成过程、传播特性以及燃烧室性能进行了数值模拟研究。
主要研究工作如下：
(1)本文首先针对两相旋转爆轰燃烧室内燃料与氧化剂的掺混问题进行研究，首先
通过对比不同燃烧室轴向位置处液滴直径的分布情况和燃料与氧化剂的掺混效率，研究
了燃烧室的头部结构以及燃油喷嘴数量对燃料液滴在燃烧室内的输运过程和燃料与氧
化剂过程的影响。在此之后，通过改变燃烧室出口背压来模拟真实爆轰流场内压力分布
不均这一现象，进一步研究了燃烧室出口背压对燃料与氧化剂掺混效率的影响。最后，
通过对比不同燃料喷注压力下的掺混过程，确定了能够满足两相旋转爆轰波稳定传播的
燃油喷注方案。发现相比于轴向喷注的结构，当空气沿燃烧室径向喷注时，在拉法尔喷
管的扩张段处存在较为明显的回流区，燃料与氧化剂的掺混效率在此处受回流区影响快
速上升。
(2)在得到合理的进口结构的基础上，为了探究两相旋转爆轰波的传播特性，本文
在二维计算域内对两相旋转爆轰波的传播过程进行高精度的数值模拟。捕捉两相旋转爆
轰波的流场结构，探究爆轰波与液滴的相互作用关系，分析燃料填充区内的详细化学反
应过程，并在此基础上研究了液滴初始直径和空气进气温度对爆轰波特征参数的影响。
哈尔滨工程大学博士学位论文
研究发现，爆轰波的传播速度和燃料的爆轰分数随着液滴初始直径的增加而降低。在正
庚烷的化学反应过程中，低温化学反应(LowTemperatureChemistryLTC)的中间物种
RO2H在未引爆的混合物中对化学爆炸模式的改变有显著影响。
(3)在得到了两相旋转爆轰波的基本流场特征后，本文针对非预混两相旋转爆轰波
的形成过程问题开展了三维数值模拟研究，掌握在高进气压力和进气温度条件下两相旋
转爆轰波的发展过程，并对比了非预混旋转爆轰燃烧室内外壁面上的流场特征。在此基
础上，为了探究两相旋转爆轰燃烧室的稳定工作范围，本文对比分析了空气进气流量以
及当量比对爆轰波的形成过程以及爆轰波稳定性的影响。研究发现：当爆轰波稳定传播
后，燃烧室外壁面的压力高于燃烧室内壁面。空气进气流量的增加会使得氧化剂的流速
增加并导致燃料与氧化剂的掺混效率随之增加，并最终导致爆轰波的压力增加。在不同
的燃烧室总体当量比条件下，爆轰波的发展过程存在明显差异，当量比由0.8逐渐增加
至1.2时，爆轰波的形成时间随当量比的增加而逐渐降低，随着当量比的进一步提升，
形成稳定爆轰所需的时间再次增加。
关键词：旋转爆轰；燃烧室；正庚烷；流场结构；数值模拟
正庚烷/空气两相旋转爆轰流场及燃烧性能数值模拟研究
Abstract
Differentfromtraditionaldeflarationcombustion,detonationcombustionisacombustion
formsimilartotheconstantvolumecombustionprocess.Under