液态燃料旋转爆轰技术研究进展

冯子轩

（中国航空发动机集团有限公司，北京 100097）

0 引言

爆轰是一种由前导激波和化学反应强烈耦合且存在强间断现象的燃烧模式。其中，可燃反应物在前导激波的压缩作用下发生快速化学反应，而在反应过程中释放的剧烈化学能反过来用以支持前导激波的持续传播。相比航空发动机和燃气轮机等采用的等压燃烧过程而言，爆轰过程具有更低的熵增、更快的热释放率、更高的压力，有望为先进动力技术的跨越发展提供新机遇[1-2]。

根据爆轰波的传播特点，爆轰主要包括脉冲爆轰、旋转爆轰及斜爆轰3类。与脉冲爆轰和斜爆轰相比，旋转爆轰在起爆频率、燃烧室出口参数分布均匀性、进气条件、结构紧凑性、可操作性、适用范围等方面具有显著优势，其基本原理是一次起爆形成的爆轰波在环形燃烧室内沿周向自持传播运动，爆轰波后的高温高压燃烧产物沿燃烧室轴向膨胀，预混/非预混可燃反应物则从爆轰波后压力较低处持续注入，在导弹、火箭、燃气涡轮发动机等领域均有广阔的应用前景[3]。

鉴于旋转爆轰的特殊性和潜在应用价值，自Nicholls等[4]在1966年率先提出将旋转爆轰应用于动力系统理念以来，中、美、日、俄、波兰等国相继开展了大量基础理论和试验研究，并取得了一系列显著进展。尤其是在近十年，国内外有关旋转爆轰的研究成果数量大幅增加，部分火箭基、涡轮基、冲压基旋转爆轰技术在原理验证和工程实践方面取得了重大进展[5-6]。液态燃料作为先进动力（尤其是军用动力）系统的最常用燃料之一，其能量密度相对较高且存储输运更加安全。然而，Wolański等[7]研究表明，液态燃料的起爆条件更加苛刻，旋转爆轰的波系结构、传播模态以及稳定性等更加复杂，致使该方面的工程化应用依然面临严重挑战。

基于上述研究现状，本文重点从爆燃转爆轰技术和旋转爆轰组织技术2方面，详细综述液态燃料旋转爆轰技术的国内外研究进展，并对其未来研究趋势进行展望。

1 液态燃料爆燃转爆轰技术

起爆是旋转爆轰技术应用面临的首要问题。相比氢气、乙烯、丙烷等气态燃料而言，液态燃料的燃烧反应活性低、火焰加速与爆燃转爆轰距离长、胞格尺度大，导致其直接起爆需要的能量极高。因此，为提高液态燃料旋转爆轰发动机的起爆可靠性，需要掌握气液两相爆轰波的形成演变机理，在此基础上发展有效的起爆强化方法。

1.1 试验研究

1.1.1 JP10等燃料试验

Brophy等[8]对比分析了JP10燃料在氧气和空气中的爆燃转爆轰特性，表明点火延迟时间是影响火焰加速与转捩的重要参数，JP10燃料/空气因反应活性较低而无法在其所研究的条件下形成稳定爆轰波；Fan等[9]研究了液态辛烷和空气的起爆性能，指出当燃油雾化粒径约为80 μm时，上述液态燃料可以在50 mJ初始点火能量下，通过螺旋障碍物的强化作用实现起爆；Li等[10]研究了大尺寸管道内JP10燃料液雾和空气的爆燃转爆轰特性，分析了在常温常压条件下当量比对爆轰成功率、爆轰速度以及胞格尺寸的影响规律，发现由于燃料的挥发性较低，其爆轰速度相比CJ理论值偏低且胞格尺寸较大。

1.1.2 汽油试验

以汽油为研究对象，王治武等[11]研究了燃油雾化特性对起爆过程的影响，发现随着雾化粒径的减小，爆轰波的传播速度有所增大，但是均低于CJ理论值；孙健等[12]对比了不同类型助爆装置条件下的汽油/空气两相火焰传播与爆燃转爆轰过程，指出改善燃油蒸发特性是强化起爆的核心，通过合理布置扰流器能够加快层流火焰向湍流火焰的过渡，并且相比锯齿型和环型扰流器而言，螺旋型扰流器产生了较高的压力峰值，其助爆性能最佳；Wu等[13]研究了典型因素影响下的汽油超声雾化性能及其对起爆性能的作用，发现超声雾化可大幅减小汽油的雾化粒径，从而有力促进了爆轰波的快速形成。汽油超声雾化特性如图1所示。

图1 汽油超声雾化特性[13]

张义宁等[14]提出了一种适用于汽油/空气预爆管的起爆强化方法，其中采用了气动阀与燃油气动雾化一体化设计，并通过螺旋、片状扰流、激波反射等助爆结构来加速火焰的传播与转捩；秦鹏高等[15]分析了80 mm管内的汽油/空气爆燃转爆轰过程，表明增大进气压力和提高脉冲爆轰的频率有助于爆轰波的形成；刘道坤[16]则研究了不同点火模式下的汽油/富氧空气起爆的影响，发现提高点火能量、合理布置预爆管以及延迟点火时间有助于爆轰波的形成。

1.1.3 液态煤油试验

Kindracki[17]分析了氧体积分数、初始点火方式、管径等典型参数对煤油在圆管内起爆性能的影响，得到了直接起爆临界条件，煤油临界起爆管径和氧体积分数如图2所示；Wang等[18]对煤油/氧气两相起爆的研究表明，由于燃油蒸发和油气掺混的影响，当两相爆轰波的传播速度达到CJ理论值的80%时，即可以认为实现了稳定起爆。

图2 煤油临界起爆管径和氧体积分数[17]

为加强液态煤油的起爆效果，Wang等[19]探究了点火模式对煤油/空气爆轰波性的影响，表明相比火花直接起爆和热射流起爆而言，预爆管可以显著缩短爆燃转爆轰的时间和距离，3种典型的点火方式如图3所示；Yan等[20]从强化雾化和油气掺混角度出发，对比了在4种喷嘴条件下的煤油起爆特性，通过分析速度和压力的变化，认为采用高收缩比和高膨胀比喷嘴对起爆有利；Fan等[21]提出了一种基于余热辅助燃油雾化的两相起爆强化方法，表明液态煤油在加热作用下能够达到较好的雾化效果，进而有利于缩短起爆距离和提高起爆成功率；李夏飞等[22]为实现液态燃料旋转爆轰发动机的快速起爆，设计了一种基于双级轴向旋流的煤油/氧气预爆管结构，煤油/氧气预爆管旋流器如图4所示，并对比了工作时序、油气比以及典型结构参数等两相起爆过程的影响规律，表明采用上述预爆结构可以有效解决煤油/氧气起爆距离长和起爆率较低的问题，爆轰波的压力和速度分别达到了4 MPa和1300 m/s，最佳起爆油气比约为0.60～0.73。

图3 3种典型的点火方式[19]

图4 煤油/氧气预爆管旋流器[22]

1.2 数值模拟研究

在试验研究基础上，为进一步深入掌握气液两相火焰的形成、加速、转捩过程以及系列影响因素的作用机制，国内外学者还开展了相关数值模拟工作。

张群等[23-24]采用1维数值仿真剖析了液态辛烷/空气两相混合物的爆燃转爆轰特性，详细讨论了部分预蒸发、液滴数量、点火能量、初始温度等参数对爆轰波结构与发展过程的作用机制，表明燃油预蒸发、减小液滴尺寸、提高点火能量和初始温度均能够促进爆轰波的形成，并且随着液滴数量的增加，爆燃向爆轰的转变过程会有所延迟。

Shen等[25]基于CE/SE数值求解方法研究了液滴尺寸和当量比对液态癸烷/空气两相爆轰的影响，表明对于较大尺寸的液滴，在贫燃条件下两相爆轰速度低于气相爆轰速度，而在富燃条件下的两相爆轰速度要高于气相爆轰速度；Smirnov等[26-27]对非均匀液滴尺寸和非均匀油气空间分布情况下的两相起爆进行了2维数值模拟研究，通过分析不同位置和不同时刻的火焰传播速度、压力以及温度变化规律，发现液滴尺寸和分布不均匀会显著影响爆轰波形成的时间、减小液滴尺寸，有利于强化起爆过程；Nguyen等[28]通过2维数值模拟研究了Jet-A/空气的两相起爆过程，指出燃油的预汽化质量分数对火焰加速与转捩具有显著影响，并且与完全汽化相比，不完全汽化情况下的燃烧温度和爆轰速度略低。Jet-A/空气起爆过程如图5所示。

图5 Jet-A/空气起爆过程[28]

Jia等[29]采用2维数值模拟研究了液态正癸烷在障碍物管道内的火焰传播与爆轰转捩规律，发现在其所研究的结构和参数条件下，燃料液滴的存在会使起爆“热点”位置发生改变，并且当液滴粒径由10 μm增大到30 μm时，爆燃转爆轰的时间和距离分别增加了126%和33.8%。

此外，许多研究人员对汽油、煤油等液态燃料的脉冲爆轰开展了部分研究工作[30-31]，但是本文主要侧重于脉冲爆轰发动机性能研究，因此不对其研究情况进行详细介绍。

2 液态燃料旋转爆轰组织技术

对于液态燃料旋转爆轰而言，其涉及复杂的燃料喷注、破碎、蒸发、化学反应等过程，爆轰波、斜激波及其之间的相互作用导致爆轰多物理场的组织调控变得十分困难。因此，为实现液态燃料旋转爆轰发动机的可控稳定运行，需要探究复杂进气和燃料供给条件下的气液两相旋转爆轰波传播特性、敏感影响因素及其调控方法。

2.1 试验研究

Li等[32]对比了预混和非预混Jet A-1液态燃料的旋转爆轰燃烧过程，指出在相同工况参数下，非预混旋转爆轰波更难触发和稳定传播；Frolov等[33]研究了“膜式”喷油、氧气为氧化剂时的旋转爆轰现象，认为雾化和蒸发性能是决定液态燃料燃烧模式的重要因素；郑权等[34]采用由氢气和氧气起爆的环形阵列式旋转爆轰试验系统研究了汽油/富氧空气的爆轰波传播特性，表明在氧体积分数析为34.3%和当量比为0.82的工况下，爆轰波平均传播速度约为1051 m/s，波头高度为55~70 mm；郑权等[35]还通过试验探究了燃烧室长度、宽度[36]、当量比[37]、喷注压力[38]、中心锥结构[39]等对汽油/富氧空气旋转爆轰过程的影响，发现在其研究的参数范围内，燃烧室尺寸减小直接影响燃油-空气的掺混均匀性，导致燃烧室内出现了爆轰效果变差、压力波振荡现象增强以及爆轰波传播速度亏损等现象，随着高喷注压力下燃油雾化性能的改善，气液两相旋转爆轰的传播稳定性显著提高；葛高杨等[40]以外径、内径、长度分别为202、166、155 mm的环形旋转爆轰燃烧室为研究对象，分析了高温空气来流环境下汽油/空气的旋转爆轰特点，表明当空气质量流量、当量比、空气总温分别为1110 g/s、0.97、713 K的条件下，气液两相旋转爆轰波能够以双波对撞模态进行自持稳定传播。

针对煤油燃料，Kindracki[41]测量了其在旋转爆轰模型燃烧室（其煤油雾化试验系统如图6所示）内的雾化特性，表明当气流温度为290 K时，煤油的索泰尔平均直径可达到约33~38 μm；在此基础上，Kindracki[42]进一步试验探究了煤油-氢气-空气的非预混旋转爆轰特性，发现煤油液滴的破碎与蒸发使燃烧室内存在混合不均匀现象，导致液态燃料旋转爆轰波的触发难度升高，强化煤油雾化或提高空气温度均有利于旋转爆轰波的形成和稳定性传播；Bykovskii等[43-44]研究了煤油在富氧空气、掺氢或合成气条件下的旋转爆轰现象，指出旋转爆轰波的形成与传播模态受氧化剂类型的影响非常显著。

图6 旋转爆轰模型燃烧室内煤油雾化试验系统[41]

王迪等[45]采用氢气和氧气作为起爆方式，对小孔喷注煤油和富氧空气或氧气的两相旋转爆轰进行了试验研究，表明煤油雾化特性和氧体积分数直接决定了两相爆轰波的特征参数、传播模态以及稳定性，提高雾化质量和氧体积分数可加快爆轰波的传播速度；胡洪波等[46]和吴云等[47-50]分别研究了煤油预先燃烧式旋转爆轰方案的可行性（预先燃烧式煤油旋转爆轰原理如图7所示），其结果一致表明，与液态煤油相比，煤油预先燃烧后的高温燃气能够使燃烧室在更低的氧含量、更宽的进气参数范围内实现旋转爆轰波的快速形成和稳定传播。

图7 预先燃烧式煤油旋转爆轰原理[47]

王致程等[51]针对煤油/富氧空气（氧体积分数为40%）开展了旋转爆轰试验研究（采用乙烯和氧气起爆，煤油通过离心喷嘴喷注），发现在无内柱燃烧室内，氧化剂流量太低容易导致旋转爆轰波无法稳定自持传播；环形燃烧室宽度增大可以提高爆轰波传播速度，但是明显低于无内柱条件下的传播速度，燃烧室宽度对旋转爆轰速度的影响如图8所示；贾冰岳等[52]采用等直圆环旋转爆轰燃烧室及其预爆管（如图9所示）试验分析了煤油/氧气预爆压力、燃烧室油气比、来流总温、点火器安装方式等典型因素对液态碳氢燃料/纯净空气旋转爆轰波形成与传播过程的影响，表明预爆压力和来流总温升高、当量比趋近于1以及预爆轰波垂直射流均有利于缩短旋转爆轰波形成时间。

图8 燃烧室宽度对旋转爆轰速度的影响[51]

图9 等直圆环旋转爆轰燃烧室及其预爆管[52]

Meng等[53]试验研究了煤油/富氧空气的旋转爆轰特性，表明在当量比为0.7时，随着富氧空气流量由585.3 g/s提高至1493.8 g/s，旋转爆轰波会经历单波、单双波混合以及双波3种典型的传播模态，并且双波比单波具有更高的传播稳定性；在此基础上，Meng等[54]还探究了煤油/空气在凹腔燃烧室（基于凹腔的环形旋转爆轰试验系统如图10所示）内的旋转爆轰模态，发现在0.77～1.47的当量比范围内能够实现吸气式自持传播，但是传播速度小于CJ理论值。此外，该团队还进一步分析了氧体积分数和进气温度等典型因素对煤油/富氧空气旋转爆轰传播稳定性的作用，并揭示了传播模态转换和发生不稳定现象的原因。

图10 基于凹腔的环形旋转爆轰试验系统[54]

Zhao等[55]试验研究了燃烧室出口收缩比对煤油/富氧空气旋转爆轰形成与传播过程的影响，观察到当采用收敛比较小的燃烧室出口时，更容易获得稳定的两相旋转爆轰波，煤油/富氧空气传播模态的操作范围如图11所示。

图11 煤油/富氧空气传播模态的操作范围[55]

2.2 数值模拟研究

2.2.1 2维数值模拟

在2维数值模拟方面，Hayashi等[56]利用2步化学反应机理和欧拉-欧拉模型探究了当量比、液滴直径、初始压力与温度等对JP-10燃料/空气两相旋转爆轰过程的影响，发现当液滴直径大于4 μm或蒸发量小于20%时易出现熄爆现象；Sun等[57]研究得到了理想当量比条件下辛烷/空气旋转爆轰稳定传播边界与空气总温、喷油间距之间的关系，表明随着空气总温升高，爆轰波的峰值温度、高度和传播速度增加而峰值压力减小，随着喷油间距增大，爆轰波传播速度减小但峰值温度和峰值压力增大，喷油间距越大，爆轰波受燃料射流的干扰就越明显，当间距达到10 mm且空气总温为300 K时，无法形成稳定爆轰波；在相关试验研究基础上，Wang等[58-59]基于改进的CE/SE欧拉求解方法分别研究了喷注总温（300～800 K）、喷注面积比（0.4～1.0）、总压（1～2 MPa）以及当量比（0.9～1.4）等典型因素对煤油/空气预混旋转爆轰过程的作用，表明喷射总温升高，未反应区内气体会发生局部爆燃现象，进而影响爆轰波的传播速度和模态，总压对爆轰波传播稳定性的影响较大而对爆轰波速的作用较小，压力升高会削弱爆轰不稳定，在贫燃工况下，直接形成旋转爆轰的难度较大；Wang所在团队的其他科研人员[60-63]还分别以汽油/富氧空气和煤油/氢气/空气[64]为研究对象，分析了喷注压力、氧化剂填充比、进气总压、当量比、氧体积分数等可控物理参数和燃烧室轴向/周向长度、宽度、中心锥位置与角度等可控几何参数改变对气液两相旋转爆轰形成与传播多物理场特征、自持稳定传播边界和传播模态等的影响机理，认为由于液滴破碎与蒸发过程的存在，两相爆轰波的压力和温度耦合存在一定的间歇性，进而导致了爆轰波传播速度的减慢，旋转爆轰的自持稳定运行边界较气相有所变窄，并且受进气条件的影响更加敏感，使得传播模态的形成与转换机理更加复杂、组织调控难度更大。进气总压和当量比对旋转爆轰传播模态的影响如图12所示。

图12 进气总压和当量比对旋转爆轰传播模态的影响[60]

Liu等[65]分析了不连续反应物对煤油/空气预混旋转爆轰流场结构的影响（喷注模式对煤油/空气旋转爆轰的影响如图13所示），采用全面积喷射模型时，反应物连续分布在三角形气相层中，旋转爆轰波以规则的胞格结构稳定传播，当采用间隔喷射时，新鲜反应物和燃烧产物在远离燃烧室头端壁的位置相互混合，形成了三角形爆燃区，导致爆轰前沿部分解耦，并且大面积爆燃使燃烧室流场结构发生扭曲，降低了燃烧室的推进性能。

图13 喷注模式对煤油/空气旋转爆轰的影响[65]

杨帆等[66]采用一步反应机理和Eulerian-Lagrangian模型研究了煤油/空气的非预混旋转爆轰过程，发现受爆轰波前液滴直径和高温空气预蒸发组分分布的影响，单个旋转爆轰波由2个强度不同的子爆轰波支配，并且在富燃工况下，爆轰波的面变会极为不平整；Ren等[67]探究了煤油/空气两相旋转爆轰的传播稳定性问题，重点剖析了爆轰波的分岔现象，认为反应主导淬熄和蒸发主导淬熄是引发爆轰波失稳解耦的2个重要原因；Meng等[68-69]则研究了部分预蒸发和掺氢作用下正庚烷的旋转爆轰多物理场变化规律（正庚烷旋转爆轰多物理场如图14所示），揭示了液滴时空分布与爆轰波、斜激波特征参数之间的关系，同时指出液滴粒径和蒸发速率是引起爆轰波速度亏损的关键参数。

图14 正庚烷旋转爆轰多物理场[69]

2.2.2 3维数值模拟

在3维数值模拟方面，Wang等[70]采用欧拉-欧拉模型和理想进气边界条件，讨论了不同喷射总温和液滴半径下的煤油/空气旋转爆轰行为，发现液滴蒸发会引起反应物的局部分层，从而容易导致3维旋转爆轰波发生扭曲和传播失稳，煤油/空气3维旋转爆轰如图15所示；丁陈伟等[71]分析了喷注压力和当量比对汽油/空气旋转爆轰流场和燃烧室性能的影响规律，表明气液两相旋转爆轰燃烧室中存在不完全燃烧现象，当总当量比为1且保持不变时，燃油喷注压力升高会使燃烧室内的燃料分布不均匀性增强，出现局部富燃和反应不完全现象，导致燃烧室的性能降低；李宝星等[72]基于3维守恒元与求解元方法，数值分析了预混、理想进气条件下的汽油/富氧空气3维旋转爆轰流场结构，发现在环形燃烧室外壁面收敛和内壁面发散的共同作用下，爆轰波的强度沿着燃烧室径向不断增强。

图15 煤油/空气3维旋转爆轰[70]

3 结束语

旋转爆轰作为航空、航天、航海、工业驱动与发电领域的前沿创新技术之一，已成为国内外先进动力领域的研究热点。近十年来，以中国科研人员为代表的大量学者围绕气液两相爆轰理论及其应用问题，在液态燃料爆燃转爆轰、旋转爆轰组织等方面取得了许多代表性的研究成果，极大促进了旋转爆轰理论和技术的发展。然而，考虑到气液两相旋转爆轰所具有的复杂跨尺度特征、多物理场相互耦合且影响因素呈现多源性，现有液态燃料起爆和旋转爆轰组织技术在工程实践中还面临多重挑战，相关的探索性研究仍需不断深入开展。其中，亟需解决的部分问题如下：

（1）提出科学有效的液态燃料快速起爆新方法，解决预爆管和燃烧室燃料/氧化剂不统一的问题。由于液态燃料的反应活性相对较低且其爆燃转爆轰过程受液态燃料雾化、蒸发以及油气掺混均匀性的影响非常显著，导致目前气液两相旋转爆轰燃烧室或发动机通常采用更容易起爆的氢气/空气、氢气/氧气进行预爆，这将会极大影响旋转爆轰技术的便捷性和安全性。因此，需要在现有研究基础上，开展液态燃料超细雾化、多旋流高效掺混、等离子点火与助燃、激波聚焦起爆等新技术研究与应用探索，为缩短液态燃料爆燃转爆轰距离和提高预爆管出口爆轰波强度提供有力支撑。

（2）加强液态燃料非预混旋转爆轰3维数值模拟研究深度，提升对旋转爆轰复杂多物理场的认知水平。数值模拟作为开展旋转爆轰燃烧室或发动机设计的重要手段之一，可有效降低研制成本和试验风险。然而，从上述研究现状可知，目前国内外对于气液两相旋转爆轰的数值研究主要侧重于2维、预混方面，而对考虑真实工作条件的3维、非预混研究较少，因此对旋转爆轰多物理场演变规律和组织调控还存在诸多不足，严重制约了高性能旋转爆轰燃烧室或发动机的优化设计。

（3）发展先进的高频高精度测试技术，为旋转爆轰试验奠定基础。与传统的等压燃烧过程不同，旋转爆轰具有典型的高温、高压、高速特征。目前国内外通常采用高频压力传感器测量旋转爆轰波的压力峰值、传播速度和工作频率等基本信息，部分研究基于激光诱导荧光法（Planner Laser Induced Fluorescence,PLIF）的非接触光学测量技术探究了气态燃料的旋转爆轰燃烧场分布与演变规律，为深入认知旋转爆轰燃烧机制提供了有效手段。未来，有必要在现有测试技术基础上，充分发挥光学非接触测量的诸多优势，探索适用于液态燃料旋转爆轰场分析的先进测试技术。