Page 5 - 《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

rotating detonation flow field shows the characteristics of gas phase propagation, and the structure of the detonation wave is
smooth. When the initial diameter of kerosene droplets is relatively large, the mixing process of reactants before the wave front
is mainly affected by droplet break-up. For the same fuel mass flow rate with different initial droplet diameters, the maximum
residence time of kerosene droplets accounts for more than 80% of the detonation wave propagation time and the detonation
velocity increases with the increased ratio of gaseous part of the fuel. The velocity of the detonation wave increases first and
then decreases with the increased initial droplet diameter in the range of 10–70 µm.
Keywords: rotating detonation engine; gas-liquid two-phase flow; combustion; droplet diameters

爆轰发动机作为传统爆燃推进系统的替代方案，在理论上可以实现发动机整体性能的提高 [1-3] 。旋
转爆轰发动机（rotating detonation engine, RDE）通常使用预爆轰管切向点火，产生一个或多个旋转爆轰波
（rotating detonation wave, RDW），爆轰波在接近燃烧室入口处周向传播消耗燃料，产生连续推力 [4-8] 。对
于气相旋转爆轰发动机，已有学者开展了针对其旋转爆轰波的模态跃迁 [9-10] 、推力性能测量 [11-13] 、光学测量 [14-16]
及热测量 [17-18] 等的实验研究；或通过数值模拟方法研究了几何尺寸 [19] ，几何结构（如环形 [20-22] 、空心 [23] 、
圆盘形 [24] ），燃料和氧化剂喷注方式 [25-26] ，不同排气喷管 [27] 等对 RDE 流场的影响。而实际上，发动机多使
用液态燃料，相比于气相爆轰，气液两相爆轰需要考虑燃料的雾化、液滴的破碎、燃料部分蒸发及燃料
与氧化剂不完全混合等过程。液滴燃料的大小、液滴在时间和空间上的分布等参数对气液两相爆轰过
程起到了主要作用 [28] 。
液态煤油作为航空动力的常用燃料，在室温条件下很难与空气发生爆轰。由于燃料液滴必须在形
成开始放热所需的自由基之前蒸发，因此部分能量用于蒸发液滴，导致用于驱动爆轰反应的热量较少 [29] 。
实验中通常采用掺氢 [30] 、富氧 [31] 、煤油部分汽化 [32] 等方式来实现旋转爆轰波的传播。由于仅依赖实验
难以深入探究 RDE 内部流场结构，而对于气液两相旋转爆轰等复杂过程的数值模拟，通常也需要对实验
条件进行一定的简化处理。已有研究人员在数值模拟中考虑了液滴的蒸发、雾化过程，对初始液滴采用
均匀直径假设 [33] 和球状假设 [34] 。煤油本身作为由链烷烃、芳香烃、环烷烃组成的混合物，数值模拟中通
常将其视为单一组分平均分子式或代替燃油组分，然后再给定相应的反应机理。
以往的文献中，涉及 RDE 流场中液滴分布的分析较少，气液两相 RDE 的流场研究有待进一步开
展。此外，大多数描述液滴破碎的模型理论都是基于无限范围的均匀气流中的单个液滴，研究表明，喷
雾液滴的破碎时间可能是孤立液滴的 55%～90%，这取决于液滴间距、直径和流量 [35] 。泰勒类比破碎
（Taylor analogue breakup, TAB）模型由内燃机雾化燃烧过程发展而来，除了应用于低速流动和雾化燃烧 [36-38]
外，在涉及激波液滴相互作用的超声速流动中也有广泛应用 [39-40] 。由于气液两相介质的爆轰效果取决于
液滴的破碎程度和液滴的尺寸分布，而液滴破碎的程度决定了冲击波后化学能的释放速度 [41] 。因此，液
滴的大小必然对气液两相介质的爆轰参数产生很大的影响。
本文中，以液态煤油 C H 为燃料，高温空气为氧化剂，考虑液滴的雾化破碎、蒸发过程，忽略复杂
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的燃料裂解过程，采用单步总包反应机理研究旋转爆轰流场，采用成熟的泰勒类比破碎（TAB）模型模拟
液滴的雾化破碎过程，以期揭示气液两相 RDE 的基本流场结构，分析液滴运动，并比较不同初始液滴直
径对 RDE 流场的影响。

1 研究方案

1.1 数学模型

旋转爆轰流场区域存在气相和液相两相流动。Fluent 软件中模拟多相流的模型可以分为欧拉-欧拉
多相流模型和欧拉-拉格朗日多相流模型，前者的连续相和离散相均采用欧拉法进行求解，后者的离散相
则采用拉格朗日法计算。其中，欧拉多相流模型包括 VOF（volume of fluid）模型、混合（mixture）模型和欧
拉（Euler）模型。对于离散相体积率超过 10% 的液滴流动，可选用欧拉多相流模型中的混合模型或者欧
拉模型；对于体积分数小于 10% 的液滴流动，可选用离散相模型（discrete phase model, DPM）。

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