Page 50 - 《爆炸与冲击》2026年第10期

第 46 卷 陆 乐，等： 活塞驱动的病态爆轰波纵向稳定性研究 第 10 期

wave, while the increase of activation energy can lead to the instability of the pathological detonation wave. The high-
frequency and low-amplitude oscillation of overdriven pathological detonation has little change in the structure of the reaction
zone; the low-frequency and low-amplitude oscillation of detonation wave under the condition of strong solution is caused by
the alternation of two configurations of strong solution in the reaction zone. The low-frequency and high-amplitude oscillation
characteristics of overdriven pathological detonation are characterized by the alternating occurrence of reaction zone structures
such as weak solution, strong solution and overdriven solution.
Keywords: pathological detonation; reaction zone structure; nonlinear stability; piston-driven detonation

爆轰波是由前导激波与紧随其后的化学反应区耦合形成的高速燃烧波，其自持传播机制依赖于激
波压缩与化学放热的正反馈效应。由于可燃预混气体本身的一些特殊热力学和动力学特性（如体积收
缩或反应吸热等）或壁面边界层效应（如管壁的摩擦、散热或侧向扩张）等，爆轰波会表现为非理想传播
的行为。在这类爆轰波的一维结构中，自持传播的爆轰波波后反应区终止面将落后于声速面，因此反应
放热将不能有效用于支持爆轰波的传播，故使得爆轰波的传播速度亏损，从而显著影响爆轰波的稳定
[1]
性。在实际当中，上述非理想爆轰的现象普遍存在，例如，管道中考虑管壁摩擦效应的爆轰波传播过程 ，
旋转爆轰发动机（rotating detonation engine, RDE）燃烧室中具有侧向膨胀效应的爆轰波传播行为 [2-3] ，以及
特殊可燃系统（如 H -Cl 系统 、铝粉-气态燃料-氧气 系统）中的病态爆轰行为等。因此，开展此类爆轰
[4]
[5]
2
2
过程的一维稳定性研究具有显著的理论和应用价值。
Fickett 等 [6] 首先研究了单步反应条件下的一维气相爆轰波的稳定性，发现当爆轰波过驱度较低或
[7]
活化能较大时，微小扰动可以使爆轰波的峰值压力在稳定解附近发生振荡。Sharpe 等 则进一步研究了
在不同大小活化能影响下一维爆轰波的稳定性，发现较低活化能影响下的非线性数值模拟结果与线性
稳定性分析的结果一致。然而随着活化能增大，产生非线性扰动增强，压力振荡将变得更加不规则。然
[8]
后，他们进一步研究了高活化能下爆轰波起爆和熄爆现象 。结果表明，高频振荡会导致局部区域形成
未燃气团，使得非线性稳定性分析的爆轰结构与线性稳定性分析存在较大差异。在这种情况下，线性稳
定性分析不再起作用。Henrick 等 [9] 和 Ng 等 [10] 的研究都表明，随着活化能的变化，压力振荡会经历一系
列倍周期分岔过程。除了使用简单反应外，也有学者采用详细的反应机理来研究爆轰波的一维稳定性
行为。Yungster 等 [11-12] 分别研究了氢气/空气和乙烯/空气介质中爆轰波的稳定性，发现在低过驱度下，
爆 轰 波 表 现 出 不 稳 定 性 ， 且 波 传 播 的 动 力 学 特 性 会 随 着 当 量 比 的 变 化 而 发 生 变 化 。 当 当 量 比 小 于
1.2 时，爆轰波呈现出高频低幅的短周期振荡模式；而当当量比大于 1.2 时，则呈现低频高幅的振荡模式，
稳定传播和不稳定传播的爆轰波过驱度的阈值会随着初始压力的升高而单调增大，同时随着初始温度
的 升 高 而 单 调 减 小 。 Daimon 等 [13] 通 过 氢 气 - 空 气 一 维 爆 轰 波 稳 定 性 的 研 究 也 得 到 了 相 同 的 结 论 。
Radulescu 等 [14] 利用乙炔/氧气反应机理研究了氩气对乙炔/氧气爆轰波稳定性的影响。研究发现，氩气
的稀释量较大会导致反应区的温度和热释放率降低，从而使反应区结构对温度变化不敏感，波前压力以
单一频率和小幅度振荡。随着氩气稀释度的降低，爆轰波变得不稳定，振荡幅度将增大。Han 等 [15] 采用
氢气/氧气系统进行了不同氩气稀释浓度下爆轰波传播过程的模拟，观察到了高度不稳定、多周期或单
周期脉动不稳定以及稳定的 3 种不同类型的爆轰波。他们还发现可燃气体积分数越大，爆轰波越不稳
定。此外，Han 等 [16] 还研究了添加 O 对一维不稳定性的影响，发现随着 O 体积分数的增大，爆轰波变
3
3
得更加稳定。
上述研究主要针对的是理想爆轰，对于非理想爆轰一维稳定性研究则相对较少。Dionne 等 [1] 利用
单步反应研究了具有摩擦损失的非理想爆轰的一维非线性不稳定性，发现管壁摩擦力的增大相当于增
加了有效活化能，从而使爆轰更不稳定。Goldin 等 [17] 研究发现，在考虑动量损失的气相爆轰波模型中，
摩擦系数的周期性变化会导致模态锁定现象。也就是说，调整摩擦系数周期性变化的波长，可以使爆轰

速度的振荡形态由不规则转变为规则。Sharp 等 [18] 则使用包含吸热反应的两步连续反应模型，研究了自
持和过驱条件下非理想爆轰波的一维稳定性。研究结果表明，自持爆轰波在扰动作用下更容易熄爆，而

102201-2