氢气燃料斜爆轰发动机内波系对楔面调控的动态响应特性

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30275

流体力学与飞行力学

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氢气燃料斜爆轰发动机内波系对楔面调控的动态响应特性

郗雪辰¹^,², 牛淑贞², 杨鹏飞³, 杜文强², 何国胜²(), 滕宏辉²

^1.山西警察学院治安系，太原 030401
^2.北京理工大学宇航学院，北京 100081
^3.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

收稿日期:2024-02-01 修回日期:2024-02-21 接受日期:2024-03-19 出版日期:2024-11-25 发布日期:2024-04-03
通讯作者: 何国胜 E-mail:15904913089@163.com
基金资助:
国家自然科学基金(12202014)

Dynamic response characteristics of wave systems to wedge control in hydrogen-fueled oblique detonation engines

Xuechen XI¹^,², Shuzhen NIU², Pengfei YANG³, Wenqiang DU², Guosheng HE²(), Honghui TENG²

^1.Department of Public Security，Shanxi Police College，Taiyuan 030401，China
^2.School of Aerospace Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China
^3.State Key Laboratory of High Temperature Gas Dynamics，Institute of Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China

Received:2024-02-01 Revised:2024-02-21 Accepted:2024-03-19 Online:2024-11-25 Published:2024-04-03
Contact: Guosheng HE E-mail:15904913089@163.com
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(12202014)

摘要/Abstract

摘要：

受限空间内斜爆轰波与壁面的干扰难以避免，当斜爆轰波反射产生马赫杆时，气流总压损失急剧增大甚至爆轰波系发生失稳，因此流动调控成为斜爆轰稳定燃烧的重要手段。本文选取氢气-空气混气，首次将重叠网格技术应用于斜爆轰的数值仿真，对比研究了驻定与非驻定爆轰波系对不同楔面移动策略的动态响应特性。研究发现，对于驻定的反射波系，楔面向下游移动能够实现从马赫反射结构到回流区结构的转变，楔面移动的速度大小主要影响流场演化过程中波系的变化特征。对于非驻定的反射波系，马赫杆和反射激波下游亚声速区的发展合并是导致流动壅塞和波系失稳发生的主要原因。斜爆轰反射流场的演化过程表明，当楔面移动能够减小波后亚声速区的面积，并破坏流场内产生的流动壅塞结构时，失稳的爆轰波系才能重新稳定。楔面移动的调控效果取决于马赫杆移动速度和楔面调控速度的相对大小，并存在1个速度边界（减速阶段：V_w=1.52 V_MS+65；加速阶段：V_w=1.56 V_MS+92）。

关键词: 斜爆轰, 受限空间, 楔面调控, 马赫杆, 动态特征

Abstract:

Interference between oblique detonation waves and walls in confined spaces is inevitable. When these detonation waves reflect and generate Mach stems， there is a sharp increase in total pressure loss in the airflow， leading to potential instability in the detonation wave system. Thus， flow control becomes a crucial method for stabilizing oblique detonation combustion. This paper selects a hydrogen-air mixture， and for the first time applies the overlapping grid technology to the numerical simulation of oblique detonation. The dynamic response characteristics of stationary and non-stationary detonation wave systems to different wedge movement strategies are compared. The study finds that for the stationary reflection wave system， moving the wedge downstream facilitates the transition from a Mach reflection structure to a recirculation zone structure， with the speed of wedge movement significantly affecting the characteristics of wave system changes during the flow field evolution. For the non-stationary reflection wave system， the development and merging of the Mach stem and the subsonic area downstream of the reflected shock are the main causes for flow congestion and wave system instability. The evolution process of the oblique detonation reflection flow field shows that only when the wedge movement can reduce the area of the subsonic region behind the wave and disrupt the flow congestion structure within the flow field can the unstable detonation wave system be restabilized. The effectiveness of wedge movement control depends on the relative speeds of the Mach stem movement and the wedge control speed， with the existence of velocity boundary during deceleration （V_w = 1.52 V_MS + 65） and acceleration（V_w = 1.56 V_MS+ 92）.

Key words: oblique detonation, confined space, wedge control, Mach stem, dynamic characteristic

中图分类号:

V231.3

郗雪辰, 牛淑贞, 杨鹏飞, 杜文强, 何国胜, 滕宏辉. 氢气燃料斜爆轰发动机内波系对楔面调控的动态响应特性[J]. 航空学报, 2024, 45(22): 130275.

Xuechen XI, Shuzhen NIU, Pengfei YANG, Wenqiang DU, Guosheng HE, Honghui TENG. Dynamic response characteristics of wave systems to wedge control in hydrogen-fueled oblique detonation engines[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(22): 130275.

图/表 16

图 1

图 2

表 1

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Result		T_CJ/K	P_CJ/Pa	V_CJ/（m·s^-1）
Theoretical		2 942	225 737	1 875
Numerical	∆x=0.1 mm	2 946	219 505	1 885
	∆x=0.2 mm	2 945	218 467	1 888
	Error （∆x=0.1 mm）/%	0.14	2.76	0.53
	Error （∆x=0.2 mm）/%	0.10	3.22	0.69

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