Page 12 - 《爆炸与冲击》2023年第2期

第 43 卷 杨 帆，等： 煤油液滴直径对两相旋转爆轰发动机流场的影响 第 2 期

发生提前燃烧。本文中所有工况的燃料三角形区域均无燃料提前反应现象。由图 7 推测的爆轰波强度
范围低于空气层最大注入高度。因此，爆轰波相对于空气向前运动时，远离燃烧室入口处的空气会分离
出去形成低温间断条带，如图 4(a) 中箭头所示。
波前的燃料由蒸气和液滴组成，为分析燃料的混合程度，定义当量比 [45] ：

(m air /m fule ) stoic 14.59(cV cell +ρ g V cell ω C 12 H 23 (g) )
φ = = (23)
m air /m fule ρ g V cell (ω O 2 +ω N 2 )
m air 和
式中： (m air /m fule ) stoic 为化学当量的空燃比，
ϕ
m fuel 分别为空气和燃料的质量；c 为离散相质量
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
浓度；V cel l 为网格单元体积； ω C 12 H 23( g) 、 ω O 2 、 ω N 2 分
别为煤油蒸气、O 和 2 N 的质量分数。爆轰波后 0.02
2
存在未燃烧完全的煤油蒸气。由图 8 中的 O 和 Y/m Detonation wave
2
N 分布可知，氧化剂几乎被爆轰波消耗，式 (23)
2
仅分析波前的混合程度。初始液滴直径为 50 µm 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10
X/m
的爆轰波前当量比等值线分布如图 9 所示。本
文中，各工况的注入条件保持全局当量比为 1， 图 9 初始液滴直径 50 µm 的爆轰波前当量比等值线分布
Fig. 9 Contours of equivalence ratios before the detonation wave
空气区域大于液滴煤油蒸气区域，导致波前燃料
at an initial droplet diameter of 50 µm
空气混合不均匀，波前均存在富油区及贫油区。

2.2 液滴运动分析
2.1 节仅展示了液滴的空间分布。为了更清晰地说明气液两相 RDE 燃烧室内液滴的运动规律，绘
制了煤油液滴分布示意图，如图 10 所示。从图 10 可以看出，爆轰波后由高压产生了一段空气阻塞区域，
由于离散相采用表面注入方式，爆轰波后液滴仍然可以注入，然后与气相相互作用，红色球表示初始注
入的、粒径较大的液滴。爆轰波后区域受膨胀波的影响，压力降低，空气开始注入，且液滴被加速，蓝色
箭头所指的注入区域为相对低速空气注入区域。爆轰波阻塞区后部分液滴并未进入产物区域，且与气
相相对速度较低，此时液滴不易破碎，缓慢蒸发向下游运动，最终形成较大液滴条带，如图 10 中绿色球
形液滴所示。红色注入区域为相对高速空气注入区域，此时液滴在与空气较大的剪切作用下发生剧烈
破碎，产生较小粒径的紫色球形液滴。流场粒径大小分布如图 11 所示。

Initial injection particle size
Evaporation-dominated particle size
Vigorously broken particle size
Contact discontinuity
Oblique shock wave
Contact surface
Detonation wave

Injection Air block zone Injection

图 10 液滴分布示意图
Fig. 10 Schematic diagram of droplets distribution
在爆轰波传播的单个循环过程中，液滴由爆轰波后注入，爆轰波前远离燃烧室入口的液滴经历的蒸
发时间最长，图 12 显示了初始液滴直径 50 µm 工况下流场中煤油液滴的停留时间等值线分布，最大液滴
停留时间为 86.9 µs。

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