高马赫数条件燃烧室斜爆轰波起爆过程试验

doi:10.7527/S1000-6893.2024.31167

流体力学与飞行力学

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高马赫数条件燃烧室斜爆轰波起爆过程试验

张晓源¹, 李进平¹(), 马虎², 张仕忠¹, 陈硕², 陆星宇¹

^1.中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室，北京 100190
^2.南京理工大学机械工程学院，南京 210094

收稿日期:2024-09-09 修回日期:2024-09-27 接受日期:2024-10-24 出版日期:2024-11-04 发布日期:2024-11-04
通讯作者: 李进平 E-mail:lijinping@imech.ac.cn
基金资助:
国家自然科学基金(11902328);中国科学院院长基金（1702）

Experimental initiation process of oblique detonation wave in combustion chamber under high Mach number conditions

Xiaoyuan ZHANG¹, Jinping LI¹(), Hu MA², Shizhong ZHANG¹, Shuo CHEN², Xingyu LU¹

^1.State Key Laboratory of High Temperature Gas Dynamics，Institute of Mechanics，Chinese Academy of Sciences Beijing 100190，China
^2.School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China

Received:2024-09-09 Revised:2024-09-27 Accepted:2024-10-24 Online:2024-11-04 Published:2024-11-04
Contact: Jinping LI E-mail:lijinping@imech.ac.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(11902328);Foundation of President of the Chinese Academy of Sciences(1702)

摘要/Abstract

摘要：

斜爆轰技术具有结构简单、燃烧效率高和比冲高等优点，而试验条件的局限性限制了对斜爆轰的深入理解和该技术的进一步发展。基于反向爆轰驱动激波风洞直连试验系统，模拟了飞行高度30 km、马赫数9的来流条件，针对乙烯燃料进行了25°斜劈的斜爆轰波起爆试验。该系统通过激波管产生高温高压空气，经喷管加速后进入燃烧室，待空气流场建立后喷入燃料，与空气混合起爆。对斜爆轰波的结构特征及起爆过程进行观测与分析，在斜劈处形成了清晰的斜爆轰波系结构，准确识别出斜激波、斜爆轰波、横波和三波点等特征。在波后存在高亮度区域，表明了强烈化学反应的发生。斜爆轰波在试验中稳定时间约为6 ms，角度保持在80°±2°范围内，且试验具有良好的重复性。分析表明，试验中获得的斜爆轰波位于极曲线的过驱动强解区域。试验展示了斜爆轰波的起爆过程：燃料喷注前，斜劈前首先形成稳定的斜激波；燃料喷注后，斜激波与分离激波的交汇位置触发混合燃气起爆；起爆后形成的爆轰波面由化学反应支撑，逐渐向前推进，波面长度不断增加，直至达到稳定状态。最终，激波管内反射激波产生的高压破坏了斜爆轰波结构。

关键词: 斜爆轰, 激波, 起爆, 波系结构, 激波风洞

Abstract:

Oblique detonation technology offers significant advantages such as a simple structure， high combustion efficiency， and high specific impulse. However， limitations in ground-based experimental capabilities have hindered a deeper understanding of oblique detonation and the development of this technology. Based on a reverse detonation-driven shock tunnel directly connected system， this paper simulated a flight altitude of 30 km and a Mach number of 9 to make an experimental investigation of the initiation of oblique detonation waves with a wedge angle of 25° using ethylene fuel. The experimental system generates high-temperature and high-pressure air through a shock tube， which is then accelerated through a nozzle into the combustion chamber. Once the air flow field was established， fuel was injected and mixed with the air to initiate detonation. The structural characteristics and initiation process of the oblique detonation waves were observed and analyzed. Formation of a clear oblique detonation wave structure was found at the wedge. The features such as oblique shock waves， oblique detonation waves， transverse waves， and triple points were accurately identified. The high-brightness area behind the wave indicated intense chemical reactions. The oblique detonation wave remained stable for approximately 6 milliseconds， with the angle maintained within the range of 80°±2°. The experiments showed good repeatability. Analysis revealed that the experimentally obtained oblique detonation wave falls within the overdriven strong solution region of the extreme curve. The experiment detailed the initiation process of the oblique detonation wave. Before fuel injection， a stable oblique shock wave first formed at the front of the wedge. After fuel injection， the intersection of the oblique shock wave and the separation shock wave triggered the initiation of the mixed gas. The detonation wavefront formed after initiation was sustained by chemical reactions， gradually propagating forward with its length continuously increasing until reaching a stable state. Finally， the high pressure generated by the reflected shock wave in the shock tube disrupted the oblique detonation wave structure.

Key words: oblique detonation, shock, detonation initiation, wave structure, shock tunnel

中图分类号:

V231.2

张晓源, 李进平, 马虎, 张仕忠, 陈硕, 陆星宇. 高马赫数条件燃烧室斜爆轰波起爆过程试验[J]. 航空学报, 2025, 46(9): 231167.

Xiaoyuan ZHANG, Jinping LI, Hu MA, Shizhong ZHANG, Shuo CHEN, Xingyu LU. Experimental initiation process of oblique detonation wave in combustion chamber under high Mach number conditions[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(9): 231167.

图/表 11

图 1

图 2

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图 5

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表1

图 7

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图 9

图 10

参考文献 35

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

物理量	数值
当量比	0.49
速度/（m·s^-1）	2 155
马赫数	3.58
静温/K	952
静压/bar	0.442
比热比	1.32

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