超聲速斜爆震發(fā)動(dòng)機(jī)起爆過(guò)程研究綜述

李自然，林志勇，韓 旭

（國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410073）

0 引言

近年來(lái)，以高超聲速技術(shù)為基礎(chǔ)、吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)及組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的高超聲速飛行器作為21世紀(jì)空天飛行器的一個(gè)重要發(fā)展方向，得到了各主要軍事強(qiáng)國(guó)的普遍關(guān)注。超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)作為高超聲速技術(shù)動(dòng)力系統(tǒng)的一種重要方案，得到了各研究國(guó)家的普遍重視。

目前采用的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒通常是以擴(kuò)散燃燒為主的部分預(yù)混的等壓燃燒過(guò)程。這種燃燒方式需要較長(zhǎng)燃燒室來(lái)完成燃燒，不可避免地加大了氣流內(nèi)阻，增大了發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)重量和熱防護(hù)難度。此外，當(dāng)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)飛行馬赫數(shù)增加到一定值后（一般認(rèn)為Ma>8），性能開(kāi)始急劇下降。解決以上問(wèn)題的方法主要有兩類(lèi)：1）增強(qiáng)燃料與來(lái)流空氣混合，主要以化學(xué)動(dòng)力學(xué)和火焰?zhèn)鞑?lái)控制燃燒過(guò)程；2）改變?nèi)紵M織循環(huán)過(guò)程。

爆震燃燒能在微秒時(shí)間量級(jí)內(nèi)完成燃料能量的釋放，同時(shí)爆震波傳播速度可達(dá)到每秒千米量級(jí)，因此比等壓燃燒方式具有更高的熱循環(huán)效率，非常適用于新一代高超聲速推進(jìn)系統(tǒng)[1]。目前國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量基于爆震燃燒的推進(jìn)系統(tǒng)研究，比如連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)和脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)等。其中斜爆震發(fā)動(dòng)機(jī)以駐定的斜爆震形式組織燃燒，與普通的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)相比，能在更高的飛行馬赫數(shù)下（Ma>10）保持較高的燃燒效率，另外還具有燃燒室長(zhǎng)度短、重量輕、飛行阻力小及易于重復(fù)啟動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)[2-6]。

1 超聲速斜爆震發(fā)動(dòng)機(jī)起爆關(guān)鍵技術(shù)

爆震波的起爆方式通常包括直接起爆（Direct Initiation of Detonation）和爆燃轉(zhuǎn)爆震（DDT,Deflagration-to-Detonation Transition）起爆兩種[7－8]。爆燃轉(zhuǎn)爆震方式不需要很高點(diǎn)火能量，通過(guò)湍流火焰的加速以及火焰和壓力的相互作用，使局部形成熱點(diǎn)而得到。直接起爆則一般通過(guò)瞬間注入很強(qiáng)的能量以產(chǎn)生強(qiáng)激波，波后的高溫高壓使燃?xì)饣旌衔锇l(fā)生自燃，沒(méi)有明顯的火焰加速過(guò)程而導(dǎo)致激波和燃燒波的強(qiáng)烈耦合。對(duì)于一般的高超聲速應(yīng)用，超聲速可燃?xì)庠谌紵依锺v留時(shí)間可能比爆燃轉(zhuǎn)爆震時(shí)間要短很多，因此只能采取直接起爆的方式。目前的直接起爆方式有強(qiáng)激波誘導(dǎo)起爆、高能激光誘導(dǎo)起爆及高能爆炸絲起爆、高能火藥起爆、爆震管（熱射流管）起爆等。斜爆震發(fā)動(dòng)機(jī)是一種采用直接起爆方式的超聲速發(fā)動(dòng)機(jī)，通常采用激波誘導(dǎo)起爆或者高能激光聚焦直接起爆的方式。

目前，實(shí)現(xiàn)斜爆震的主要方式是在燃燒室入口處加入斜劈產(chǎn)生斜激波 (結(jié)構(gòu)如圖1所示)來(lái)誘導(dǎo)斜爆震[5]。這種方式必須解決斜爆震的可靠起爆和氣流損失之間的矛盾。為了實(shí)現(xiàn)斜爆震可靠起爆必須采用較大斜劈角度誘導(dǎo)出較強(qiáng)的斜激波。然而，過(guò)大的斜劈角度會(huì)導(dǎo)致爆震波處于過(guò)驅(qū)狀態(tài)，會(huì)帶來(lái)脫體斜爆震振蕩燃燒等問(wèn)題，同時(shí)導(dǎo)致熵增明顯加大，產(chǎn)生更大的氣動(dòng)阻力。當(dāng)斜劈角度小于CJ斜爆震所對(duì)應(yīng)的斜劈角時(shí)，斜爆震將保持熵增最小的CJ狀態(tài)不變，爆震波處于欠驅(qū)狀態(tài)，超聲速氣流的氣動(dòng)阻力和總壓損失都明顯減小，如果能保證可靠的起爆及斜爆震波的穩(wěn)定，將實(shí)現(xiàn)超聲速斜爆震發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中的最佳狀態(tài)。

采用斜劈實(shí)現(xiàn)斜爆震是一種嵌入式的起爆方式，需要在超聲速氣流中直接加入物理介質(zhì)，如果能發(fā)展非接觸式起爆則可進(jìn)一步減少損失，提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能。Carrier提出一種采用脈沖強(qiáng)激光的方式在超聲速氣流中形成圓柱斜爆震[7]，這種方式可在超聲速可燃?xì)庵腥魏挝恢脤?shí)現(xiàn)非接觸式遠(yuǎn)距點(diǎn)火起爆。雖然這種方式相較斜劈起爆方式有非常明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，但需要解決強(qiáng)激光在超聲速可燃?xì)饬髦械闹苯悠鸨瑔?wèn)題，另外還需攜帶強(qiáng)激光器及相應(yīng)的供電設(shè)施。

結(jié)合以上兩種斜爆震起爆方式的優(yōu)勢(shì)，一種采用氣動(dòng)斜劈來(lái)實(shí)現(xiàn)斜爆震的方式進(jìn)入了研究人員的視線(xiàn)。這種方式通過(guò)在燃燒室壁面引入一道射流來(lái)實(shí)現(xiàn)超聲速可燃?xì)饬髦行北鸬钠鸨?，同時(shí)以此來(lái)維持欠驅(qū)狀態(tài)下斜爆震的自持。該方法通過(guò)強(qiáng)射流（熱射流或爆震管）來(lái)實(shí)現(xiàn)起爆，通過(guò)控制射流的噴注壓力來(lái)控制氣動(dòng)斜劈的強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)斜爆震的起爆及穩(wěn)定，起爆穩(wěn)定后采用普通射流維持氣動(dòng)斜劈，使得斜爆震轉(zhuǎn)到欠驅(qū)的CJ斜爆震狀態(tài)。

在吸氣式高超聲速推進(jìn)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，爆震燃燒的主要技術(shù)難點(diǎn)在于爆震波在超聲速氣流中的穩(wěn)定和駐定問(wèn)題，特別是CJ斜爆震狀態(tài)的研究更是影響其應(yīng)用推廣的重要研究?jī)?nèi)容。

2 研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

2.1 起爆發(fā)展研究

最早嘗試激波誘導(dǎo)爆震試驗(yàn)研究的是Gross等人[9]。他們通過(guò)燃燒氫氣加熱空氣產(chǎn)生高溫高壓的富氧燃?xì)猓ㄟ^(guò)噴管膨脹產(chǎn)生超聲速氣流。在生成的超聲速氣流中放置一個(gè)噴嘴，順流向加入燃料，希望通過(guò)過(guò)膨脹超聲速氣流中正激波串（也稱(chēng)馬赫盤(pán)）誘導(dǎo)正爆震波，但是結(jié)果卻并沒(méi)有產(chǎn)生明顯的爆震波。后來(lái)Rubins等人采用類(lèi)似的研究裝置，進(jìn)行了斜激波誘導(dǎo)燃燒試驗(yàn)，僅驗(yàn)證了通過(guò)激波誘導(dǎo)燃燒的可行性[10]。

Lehr采用紋影技術(shù)分別觀測(cè)了超高速鈍頭體射彈進(jìn)入靜止可燃?xì)?，由脫體激波誘導(dǎo)亞爆震、跨爆震與超爆震的三種情況下，激波與燃燒波的相互作用和爆震直接起爆的現(xiàn)象[11]。研究表明，在超爆震情況下，混合物的CJ爆震速度小于來(lái)流速度，起爆后的爆震面為光滑的穩(wěn)定面；而在亞爆震和跨爆震情況下，爆震速度不小于來(lái)流速度。研究雖然發(fā)現(xiàn)了激波/燃燒波相互作用形成的周期震蕩面，但由于混合物的活性與鈍頭體曲率半徑達(dá)不到起爆所需的臨界值，沒(méi)有觀測(cè)到爆震直接起爆并往前方傳播（實(shí)驗(yàn)紋影圖如圖2所示）[12－13]。

20世紀(jì)90年代后，隨著沖壓彈技術(shù)的廣泛應(yīng)用，開(kāi)展了大量的高速運(yùn)動(dòng)鈍頭體射彈實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合高速攝影與紋影技術(shù)，研究了爆震起爆臨界條件與起爆的不同模態(tài)問(wèn)題。其中，Kaneshige等采用差分干涉儀對(duì)高速射彈產(chǎn)生斜爆震的起爆與穩(wěn)定進(jìn)行試驗(yàn)研究[14]，重點(diǎn)研究了產(chǎn)生穩(wěn)定爆震波所需的條件。結(jié)果表明初始?jí)毫?duì)預(yù)混氣體的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程具有很大的影響。試驗(yàn)未觀測(cè)起爆瞬間過(guò)程，因而難以對(duì)過(guò)驅(qū)爆震波往上游傳播的機(jī)制進(jìn)行分析。

產(chǎn)生爆震波的另一種有效的方式是Viguier等人采用的斜激波管起爆方式[15－16]，其實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。這種起爆方式雖然原理與沖壓彈相似，但沖壓彈是通過(guò)圓錐或鈍頭形成斜激波誘導(dǎo)爆震，而斜爆震管設(shè)備則通過(guò)氣動(dòng)斜劈起爆。研究先用非常薄的薄膜隔開(kāi)兩種不同CJ爆震速度的可燃預(yù)混物，然后在更高CJ速度混合物的一側(cè)進(jìn)行點(diǎn)火起爆，爆震燃燒后產(chǎn)生的高溫高壓氣體一方面向未燃混合物一側(cè)壓縮，同時(shí)跟隨爆震波以CJ速度向前運(yùn)動(dòng)，這樣就在未燃混合物一側(cè)形成了以CJ速度運(yùn)動(dòng)的“氣動(dòng)斜劈”，從而形成斜激波并誘導(dǎo)出爆震。

以上兩種常用的實(shí)驗(yàn)方法，爆震波經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)段時(shí)速度極快，有效觀測(cè)時(shí)間短，瞬態(tài)現(xiàn)象和參數(shù)測(cè)量難，增加了爆震的起爆過(guò)程研究的難度。Hanson等人發(fā)展了激波-膨脹管技術(shù)來(lái)產(chǎn)生超聲速預(yù)混可燃?xì)饬鱗17]，通過(guò)激波管中的高壓驅(qū)動(dòng)氣流加速預(yù)混試驗(yàn)氣體，隨后通過(guò)膨脹段把超聲速預(yù)混氣繼續(xù)加速到所需工況。這就確保了爆震在相對(duì)靜止的實(shí)驗(yàn)件上發(fā)展，從而能夠較方便地在實(shí)驗(yàn)件上布置測(cè)量?jī)x器、改變?cè)囼?yàn)件的外形等。Morris等人采用該技術(shù)[17]，并結(jié)合了紋影技術(shù)與OH基激光誘導(dǎo)熒光（OH-PLIF）技術(shù)對(duì)爆震激波面與燃燒面同時(shí)進(jìn)行觀測(cè)，分析了在不同活性的H2/O2/N2混合物中形成的斜爆震的結(jié)構(gòu)。但是由于膨脹管的有效工作時(shí)間非常短（一般為幾百毫秒量級(jí)），使得難以分析較長(zhǎng)特征時(shí)間的爆震起爆過(guò)程和爆震波發(fā)展的穩(wěn)定性，甚至可能得不到充分發(fā)展的爆震波。

Li等采用數(shù)值模擬方法，對(duì)爆震波在斜劈上的起爆特性進(jìn)行了研究，并給出了斜爆震波后的參數(shù)分布[18]。研究表明，尖劈前部斜激波誘導(dǎo)區(qū)的爆燃波不斷匯聚使得斜激波不斷抬升，強(qiáng)度也不斷提高；尖劈前部出現(xiàn)的附面層也會(huì)誘導(dǎo)出一個(gè)較強(qiáng)的激波，激波后氣流溫度升高，從而減小了爆震波的誘導(dǎo)時(shí)間，并最終實(shí)現(xiàn)了斜激波與反應(yīng)區(qū)的充分耦合。之后，Papalexandris和Grismer等采用更高分辨率網(wǎng)格尺度對(duì)斜爆震波的精細(xì)結(jié)構(gòu)和預(yù)起爆機(jī)理開(kāi)展數(shù)值研究[19－21]，得到了和文獻(xiàn)[18]相似的結(jié)論，斜激波后誘導(dǎo)區(qū)的能量釋放產(chǎn)生了一系列的壓縮波，而這些壓縮波在隨后的反應(yīng)過(guò)程中持續(xù)匯聚導(dǎo)致斜激波抬升，最終導(dǎo)致產(chǎn)生了三波點(diǎn)和斜爆震波。

Fan等計(jì)算了當(dāng)流道里存在斜劈時(shí)，不同馬赫數(shù)下不同斜劈所產(chǎn)生爆震的狀態(tài)[22]，表明產(chǎn)生爆震波的位置與來(lái)流馬赫數(shù)密切相關(guān)，包括斜劈面附近、斜劈尖部及壁面附近都可能經(jīng)多次激波反射而起爆。Choi等研究了斜劈角度較大時(shí)燃燒流場(chǎng)情況[23]，根據(jù)來(lái)流參數(shù)的不同，有可能發(fā)生無(wú)燃燒或非耦合燃燒、震蕩燃燒、激波誘導(dǎo)脫體燃燒或激波誘導(dǎo)脫體爆震燃燒三種現(xiàn)象（如圖4所示）。

Fusina等對(duì)CJ狀態(tài)下的斜爆震波進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，表明在一定來(lái)流條件下，CJ斜爆震波能夠通過(guò)斜激波誘導(dǎo)起爆并能穩(wěn)定自持[24]。當(dāng)斜劈角度小于CJ斜爆震所對(duì)應(yīng)的斜劈角時(shí)，此時(shí)斜爆震角度保持不變，而氣流的熵增減小，斜劈的氣動(dòng)阻力隨之變小。Powers采用歐拉方程和簡(jiǎn)化的反應(yīng)模型研究了欠驅(qū)斜爆震反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)[25]，Ashford對(duì)欠驅(qū)斜爆震波的角度進(jìn)行了深入分析，重點(diǎn)探討了斜劈角度小于CJ斜爆震對(duì)應(yīng)的斜劈角度時(shí)，波后氣流的物理過(guò)程，并指出爆震波面將保持CJ角，而斜爆震后將緊跟著出現(xiàn)一系列Taylor波[26]。

近年來(lái)，Ishii等人采用激波管生成了馬赫數(shù)1左右的預(yù)混超聲速可燃?xì)?，通過(guò)橫向加入的爆震管進(jìn)行點(diǎn)火起爆，研究了爆震波在超聲速可燃?xì)庵醒苌淦鸨默F(xiàn)象，以及順流和逆流傳播的爆震波所形成的不同胞格結(jié)構(gòu)[27]。實(shí)驗(yàn)中，由于爆震管工作時(shí)間很短，來(lái)流速度很低，尚不能作為超聲速氣流中氣動(dòng)斜劈起爆發(fā)展等問(wèn)題研究的有效例證。

2.2 穩(wěn)定特性研究

Lefebvre與Li較早探討了爆震波的駐定性質(zhì)，認(rèn)為存在一個(gè)臨界的角度，當(dāng)斜劈角度大于該角度時(shí)，爆震波會(huì)從斜劈前緣脫離，并出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象[28,18]，而這個(gè)角度與斜激波后的聲速有關(guān)。Scott對(duì)斜爆震與正爆震的起爆與穩(wěn)定性的研究成果進(jìn)行了系統(tǒng)地總結(jié)，認(rèn)為在較小的斜劈角度或者化學(xué)反應(yīng)放熱小于來(lái)流焓值的情況下，斜爆震波通常能夠保持穩(wěn)定，如圖5所示[29]。Powers認(rèn)為能夠穩(wěn)定存在的斜爆震有三個(gè)解：弱過(guò)驅(qū)爆震、強(qiáng)過(guò)驅(qū)爆震以及CJ爆震[25]。

Fusina得到了當(dāng)斜劈角度小于臨界CJ爆震對(duì)應(yīng)的斜劈角時(shí)的爆震波穩(wěn)定特性，認(rèn)為處于CJ狀態(tài)的斜爆震波是能夠穩(wěn)定自持的[24]。

Choi等研究了活化能對(duì)斜爆震波不穩(wěn)定性的影響[30]。當(dāng)活化能較低時(shí)，斜爆震波是穩(wěn)定的，而活化能較高時(shí)，會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似于普通爆震波的橫波結(jié)構(gòu)，不同活化能時(shí)，斜爆震波的穩(wěn)定程度如圖6所示。不同的是，斜爆震波的橫波只向流場(chǎng)下游傳播，并且橫波之間幾乎沒(méi)有交叉。

Higgins研究了沖壓彈的一維理論預(yù)測(cè)與實(shí)際情況的偏差原因[31]，認(rèn)為產(chǎn)生這種偏差的主要原因是由于激波和逆壓梯度導(dǎo)致的附面層分離，一維理論不能預(yù)測(cè)沖壓彈上的燃燒狀態(tài)是否能穩(wěn)定存在。He研究了沖壓彈表面爆震波的熄滅與不穩(wěn)定震蕩問(wèn)題[32]，發(fā)現(xiàn)氣動(dòng)不穩(wěn)定性導(dǎo)致了爆震波的高頻周期性震蕩，而爆震波的熄滅則主要是由于沖壓彈表面積累的能量不足以克服爆震波曲率帶來(lái)的影響，爆震波的周期性熄滅與再起爆過(guò)程會(huì)導(dǎo)致爆震波本身的高幅低頻振蕩。Yu等采用數(shù)值模擬的方法對(duì)比研究了不同速度和直徑的沖壓彈射入不同壓力預(yù)混氣的情況以及穩(wěn)定斜爆震的一些特性[33]。發(fā)現(xiàn)三波點(diǎn)的存在對(duì)斜爆震的穩(wěn)定具有重要作用，當(dāng)橫波與入射激波垂直時(shí)，橫波的傳播速度等于CJ速度；穩(wěn)定的斜爆震波存在向兩個(gè)方向傳播的橫波。

Walter重點(diǎn)研究了有限長(zhǎng)度斜劈誘導(dǎo)的CJ斜爆震穩(wěn)定條件，以及斜爆震和斜劈后緣出現(xiàn)的膨脹波的相互作用[34]，如圖7所示。研究發(fā)現(xiàn)存在一個(gè)斜劈角度范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)能夠形成穩(wěn)定的斜爆震波。爆震波與膨脹波的相互作用可導(dǎo)致兩種情況的產(chǎn)生：在接近穩(wěn)定角度上限時(shí)，膨脹波會(huì)導(dǎo)致激波面與火焰面分離；而對(duì)于中等的角度則會(huì)產(chǎn)生CJ斜爆震。

Kaneshige等采用差分干涉儀對(duì)高速射彈產(chǎn)生斜爆震的起爆與穩(wěn)定性進(jìn)行試驗(yàn)研究[14]，重點(diǎn)研究了產(chǎn)生穩(wěn)定爆震波所需要滿(mǎn)足的起爆條件，研究表明初始?jí)毫?duì)起爆影響很大，而壓力主要通過(guò)對(duì)預(yù)混氣體的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的影響產(chǎn)生，試驗(yàn)未能對(duì)起爆瞬間過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)，從而難以解釋過(guò)驅(qū)爆震波往上游傳播的機(jī)理。Kasahara等人進(jìn)一步研究了沖壓彈上產(chǎn)生穩(wěn)定CJ的爆震波的條件[20]，研究表明，在沖壓彈上得到穩(wěn)定CJ爆震的條件是前部弓形爆震波的曲率半徑大于胞格尺寸8.6倍。通過(guò)改變預(yù)混壓力和沖壓彈速度，發(fā)現(xiàn)沖壓彈表面形成的爆震波分為兩種形態(tài)：臨界條件以下時(shí)爆震波由弓形強(qiáng)過(guò)驅(qū)爆震、強(qiáng)爆震波與激波三部分構(gòu)成；臨界條件以上時(shí)，爆震波由強(qiáng)過(guò)驅(qū)爆震、弱過(guò)驅(qū)爆震、準(zhǔn)CJ爆震與CJ爆震波四部分構(gòu)成。

研究過(guò)程中，Harris等發(fā)現(xiàn)采用不同數(shù)值方法，計(jì)算得到的爆震波不穩(wěn)定性結(jié)果顯著不同，且相同工況下不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)與所采用的數(shù)值格式有關(guān)[5]。

3 研究方法與技術(shù)

雖然斜爆震發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)研究了幾十年，但目前仍處于概念研究階段，至今仍然很少見(jiàn)超聲速斜爆震起爆及發(fā)展過(guò)程的深入研究工作，相關(guān)問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)研究工作更少。這主要是因?yàn)殚_(kāi)展研制所需的實(shí)驗(yàn)條件要求較高，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)爆震燃燒過(guò)程的有效控制。

斜爆震的起爆機(jī)理及發(fā)展穩(wěn)定性基本是非定常的二維或三維問(wèn)題，理論分析難以揭示物理本質(zhì)。研究大多采用數(shù)值仿真手段，并且對(duì)一些基本斜爆震、CJ爆震等問(wèn)題有了一定認(rèn)識(shí)，積累了研究經(jīng)驗(yàn)。然而，數(shù)值仿真手段存在一定的局限性，特別是離散格式和物理模型不夠完善，對(duì)爆震燃燒中流動(dòng)與燃燒相互耦合物理過(guò)程以及湍流的作用過(guò)程難以復(fù)現(xiàn)，更不能得到附面層和粘性對(duì)斜爆震起爆過(guò)程的影響。目前一個(gè)較好的措施通過(guò)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合開(kāi)展分析。

至今為止研究斜爆震的最多的實(shí)驗(yàn)手段是沖壓彈，并結(jié)合采用各種先進(jìn)的數(shù)字高速相機(jī)、高速激光紋影，通過(guò)拍攝的實(shí)驗(yàn)照片對(duì)斜爆震的起爆、爆震結(jié)構(gòu)特性以及穩(wěn)定性等問(wèn)題進(jìn)行研究。在已進(jìn)行的研究中，設(shè)計(jì)巧妙的斜激波管設(shè)備在斜爆震研究中起到了重要的作用，利用該設(shè)備，采用OH-PLIF和紋影技術(shù)，得到了一些經(jīng)典的斜爆震結(jié)構(gòu)圖，結(jié)合煙膜技術(shù)記錄了斜爆震發(fā)展過(guò)程中的三波點(diǎn)的振蕩不穩(wěn)定過(guò)程。然而，由于斜激波管設(shè)備中采用的是氣動(dòng)斜劈技術(shù)，爆震波后的高壓即將高速膨脹，會(huì)直接影響到爆震三波點(diǎn)結(jié)構(gòu)和發(fā)展穩(wěn)定性。此外，在這種實(shí)驗(yàn)方案中，實(shí)驗(yàn)件相對(duì)于觀測(cè)設(shè)備都是高速運(yùn)動(dòng)的，不利于實(shí)驗(yàn)測(cè)量。

為了使實(shí)驗(yàn)件相對(duì)靜止于觀測(cè)設(shè)備，另一種較好的實(shí)驗(yàn)技術(shù)是激波-膨脹管設(shè)備。利用這種設(shè)備中開(kāi)展了一些有特色的研究，比如采用紋影技術(shù)和OH-PLIF技術(shù)同步測(cè)量的方式，研究了斜爆震的結(jié)構(gòu)、起爆和發(fā)展不穩(wěn)定。但由于實(shí)驗(yàn)有效觀測(cè)時(shí)間太短，不能得到爆震波的充分發(fā)展過(guò)程。

4 啟示和建議

從已開(kāi)展的研究看，目前很少研究超聲速可燃?xì)庵型ㄟ^(guò)高速射流來(lái)形成氣動(dòng)斜劈，并誘導(dǎo)爆震燃燒的相關(guān)問(wèn)題，而某些爆震物理現(xiàn)象與采用物理斜劈有很大的不同，特別是當(dāng)采用氣動(dòng)斜劈對(duì)爆震的起爆過(guò)程、爆震波發(fā)展的不穩(wěn)定現(xiàn)象及穩(wěn)定條件、以及氣動(dòng)斜劈強(qiáng)度的變化對(duì)超聲速可燃?xì)庵斜鹛匦缘挠绊懙确矫娴难芯可形撮_(kāi)展。

對(duì)研究現(xiàn)狀分析可看出，先進(jìn)的光學(xué)觀測(cè)手段在爆震機(jī)理的研究中起到了非常重要作用。早期爆震診斷技術(shù)采用煙膜法和高速條紋相機(jī)，對(duì)爆震胞格、傳播特性的觀測(cè)起到了重要的推動(dòng)作用。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著數(shù)字技術(shù)發(fā)展，紋影技術(shù)在這一研究領(lǐng)域得到了較好的應(yīng)用，特別是最近幾年出現(xiàn)了感光度極高的相機(jī)如HTV-2和Fascam SA5等，曝光時(shí)間可控制到幾百納秒量級(jí)，速度可以到上百萬(wàn)幀的量級(jí)。這樣可以很好地記錄爆震波面的發(fā)展過(guò)程以及形態(tài)結(jié)構(gòu)。

目前，國(guó)外已經(jīng)廣泛地把OH-PLIF技術(shù)應(yīng)用于爆震燃燒區(qū)的觀測(cè)，并且逐漸把紋影技術(shù)和PLIF技術(shù)相結(jié)合來(lái)研究激波誘導(dǎo)燃燒及爆震燃燒結(jié)構(gòu)中激波和燃燒區(qū)相對(duì)分布，并以此開(kāi)展穩(wěn)定性分析。從這些研究中可見(jiàn)，目前燃燒研究主要是采用OH基的PLIF來(lái)進(jìn)行，這一方面是由于OH基廣泛存在于所有的碳?xì)淙剂系娜紵?，另外OH基的激光誘導(dǎo)熒光信號(hào)很強(qiáng)，相對(duì)容易得到。但是OH基不僅存在于反應(yīng)面中，而且還廣泛分布于燃燒后高溫區(qū)中，不利于突出反映激波與燃燒的相互作用過(guò)程。與OH基不同，CH基存在時(shí)間非常短，可以較好地反映碳?xì)淙剂先紵鹧婷娣植?，而爆震波結(jié)構(gòu)中反應(yīng)面結(jié)構(gòu)包含了激波和燃燒的相互作用過(guò)程，從而可為深入理解爆震燃燒提供新途徑?；谶@種實(shí)驗(yàn)思路，構(gòu)建一種爆震試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖8所示。根據(jù)CH基和OH基PLIF技術(shù)的不同應(yīng)用特點(diǎn)，系統(tǒng)采用OH基PLIF測(cè)量技術(shù)測(cè)量爆震波波后的火焰面位置與分布的測(cè)量，運(yùn)用CH基PLIF測(cè)量技術(shù)觀測(cè)低速射流火焰的擴(kuò)散，并采用高速紋影技術(shù)，觀測(cè)爆震波起爆和傳播過(guò)程，以及斜爆震波的結(jié)構(gòu)。

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