在不稳定气流条件下，氢-空气混合物中斜向爆震的燃烧特性与波结构

《International Journal of Hydrogen Energy》：Combustion characteristics and wave structure of oblique detonations in hydrogen-air mixtures under unsteady inflow

　　张一晨|向高翔 西北工业大学航空学院，中国西安710072 摘要 斜爆波（ODWs）是实现高超音速推进系统高效稳定燃烧的关键模式。然而，在实际的非稳态进气条件下，其形成过程和结构稳定性仍不为人所充分理解。本研究采用二维数值框架，并结合详细的氢/空气反应机制，系统研究了包括当量比、压力、温度和速度在内的非稳态扰动对ODW特性的影响。通过改变这些扰动的幅度和频率，阐明了激波前沿和燃烧前沿的不同动态响应及转换机制。高频扰动会引起快速的小尺度振荡，并产生复杂的瞬态结构，包括交替的燃烧/非燃烧区域；而低频扰动则有助于在突变和平滑启动模式之间实现完整的有序过渡。扰动幅度主要决定了波结构的定性变化，如交替燃烧/非燃烧区域的形成或突变与平滑启动模式之间的转换，而频率则决定了时间演化模式，从快速的小尺度振荡到有序的准稳态循环。这项工作为复杂进气条件下ODWs的动态行为提供了基本见解，为设计和主动控制稳定的斜爆波发动机提供了理论基础。 引言 爆震燃烧是一种由激波压缩和放热化学反应强烈耦合驱动的极端燃烧模式[[1], [2], [3]]。它的传播速度达到每秒数公里，远超常规燃烧的速度，从而实现了极高的能量密度释放率[[4], [5], [6]]。对于基于氢的推进系统，这种快速的能量释放为克服超高速流动中的燃烧稳定性和点火挑战提供了潜在途径。斜爆波（ODW）是这一过程的特定表现形式，当高速进气与激波斜向交汇时形成，从而产生稳定的附着燃烧波前[[7], [8], [9]]。其主要优势在于能够在极高速流动条件下（例如马赫数8及以上）保持高效稳定的能量释放[[10,11]]。氢燃料具有宽的易燃极限、快速的动力学特性和高比能量，与ODW机制特别契合，能够在苛刻的空气动力学条件下实现稳健的启动和持续传播。基于这一原理，斜爆波发动机（ODE）被视为下一代高超音速推进和跨大气层飞行系统的关键候选者[[12,13]]。它有望克服传统超燃冲压发动机在高马赫数下面临的燃烧不稳定性和点火挑战，显著提升推进效率和运行范围[[14,15]]。因此，推进ODW技术的发展对于实现未来的航空航天能力至关重要，包括可重复使用的地球至轨道运输、高速远程飞行和深空探索[[16,17]]，代表着向更强大和适应性更强的推进系统迈进的前沿突破[[18,19]]。 研究人员在氢-空气混合物中研究ODWs方面取得了显著进展。主要采用的方法包括理论分析、数值模拟和实验研究。早期的研究工作主要集中在理想化均匀进气条件下ODWs的波结构[[20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], [27]]、启动机制[[28], [29], [30], [31], [32], [33], [34]]和稳定性[[35,36]]。研究结果表明，在这种条件下，ODW通常由斜激波（OSW）、非均匀反应区和紧随其后的稳定ODW组成[[20,21]]。在这一框架内，ODWs的波系统表现出两种主要的启动模式：突变型和平滑型[[22,23]]。在突变启动模式下，强烈的ODW直接在OSW后方形成；而在平滑启动模式下，则是一系列逐渐增强并最终合并成ODW的压缩波[[24]]。随着马赫数的增加，启动模式从突变型转变为平滑型，ODW的启动位置向上游移动[[25]]。此外，在这两种模式之间的转换过程中还观察到了滞后现象[[26]]。燃烧室几何形状也起着关键作用，较小的楔角有助于从激波诱导的燃烧过渡到斜爆波燃烧[[27]]。 ODWs的启动受多种因素影响。例如，如果楔形长度小于诱导区的特征长度，膨胀波可能会抑制ODW的形成[[28], [29], [30]]。此外，无论是燃料贫化还是燃料富集条件都会抑制ODWs的启动[[31,32]]。关于ODW的不稳定性，已经确定了两种不同的模式：弱不稳定性，其特征是平面波前；以及强不稳定性，表现为瞬态不稳定行为并导致蜂窝状结构的形成[[33]]。在受限几何形状中，ODWs可以发展出特定的波结构，如马赫杆结构和回流区结构[[34]]。在壁面附近引入惰性气体层可以改变反射激波结构，促进爆震解耦，从而影响波系统的形态[[35]]。在燃烧室膨胀角上游发生的马赫反射会引起两种无粘性上游不稳定机制：低马赫数下的内在不稳定性和高马赫数下的波诱导不稳定性[[36]]。在受限燃烧室内，ODWs与边界层相互作用形成过驱动爆震波，流动稳定性由下游形成的空气动力学喷嘴结构维持[[16]]。通过使用支柱喷射器进行预混和主动边界层管理，可以实现高效的燃料混合和抑制过早燃烧，从而在燃烧室内建立稳定的爆震燃烧[[17]]。从实验角度来看，国际上首次通过使用气态氢燃料和液态碳氢燃料的风洞测试证明了基于斜爆波的推进可行性[[37,38]]。最近的研究表明，采用垂直排列的支柱结构和错开的尾部结构可以在短距离内实现高效混合和稳定的ODW启动[[39]]。此外，实际燃烧室几何形状中的三维效应也越来越受到关注。侧壁边界层相互作用可能引起大的分离泡和流动阻塞[[40]]，而椭圆流道中的非均匀压缩可以产生新型的舌状斜爆波[[41]]。然而，在实际的非稳态进气条件下，ODWs的动态响应和稳定性仍然是一个重要的科学挑战。最近的研究开始着手解决这一难题。正弦波形的密度或温度扰动可以调节反应前沿的振荡和三相点的形成，ODWs可能表现出准稳态、超调振荡或不稳定的响应模式[[42]]。