苗世坤, 周 進,*, 劉 彧, 劉世杰, 林志勇

(1. 國防科技大學 高超聲速沖壓發(fā)動機技術(shù)重點實驗室, 長沙 410073; 2. 中國空氣動力研究與發(fā)展中心 高超聲速沖壓發(fā)動機技術(shù)重點實驗室, 四川 綿陽 621000)

0 引 言

自持傳播的燃燒波分為爆燃和爆震2種。爆燃波是一道膨脹波，其相對于反應物以亞聲速傳播，跨過反應面壓力下降，近似為等壓燃燒，傳統(tǒng)的超燃沖壓發(fā)動機均是基于爆燃燃燒。而爆震波是一道以超聲速傳播的帶化學反應的激波，波后的熱力學狀態(tài)參數(shù)急劇增加，反應物跨過爆震波面迅速轉(zhuǎn)變成燃燒產(chǎn)物并釋放能量。爆震燃燒近似為等容燃燒，相比于爆燃燃燒而言具有更高的熱力循環(huán)效率，理論上基于爆震燃燒的發(fā)動機推力性能可比現(xiàn)有的基于等壓燃燒的超燃沖壓發(fā)動機高30%以上，尤其是通過C-J斜爆震方式組織燃燒時，熵增和總壓損失都大大下降，可以進一步優(yōu)化發(fā)動機的推力性能[1]。此外，爆震燃燒具有自增壓、燃燒速率快、超聲速傳播等特點，應用于發(fā)動機中，可減小燃燒室尺寸，實現(xiàn)發(fā)動機結(jié)構(gòu)的進一步簡化和輕量化[2]。一直以來，爆震燃燒被認為是一種更加適用于高超聲速飛行的燃燒方式，這種方式能夠突破目前碳氫燃料超燃沖壓發(fā)動機的馬赫數(shù)上限[3-4]。根據(jù)爆震燃燒傳播模式的不同，目前已提出的爆震發(fā)動機概念主要包括脈沖爆震發(fā)動機[5-13](Pulsed Detonation Engine, PDE)、超聲速脈沖爆震沖壓發(fā)動機[14-16](Supersonic Pulsed Detonation Ramjet Engine, SPDRE)、旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機[17-23](Rotating Detonation Engine, RDE)以及斜爆震發(fā)動機[24-29](Oblique Detonation Engine, ODE)。其中斜爆震發(fā)動機是基于駐定斜爆震波的爆震推進裝置，其發(fā)動機燃燒室內(nèi)的斜爆震波可利用固定斜坡進行誘導起爆。在合適的來流條件及斜坡角度下，斜爆震波成功起爆后可駐定于斜坡表面，而化學反應也僅在斜爆震波面附近發(fā)生，在微秒量級時間內(nèi)即可完成，最后高溫氣體產(chǎn)物膨脹排出燃燒室產(chǎn)生推力，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 斜爆震發(fā)動機(a)及飛行器整體(b)結(jié)構(gòu)示意圖[30]

Fig.1Schematicviewof(a)asupersonicramjetwithobliquedetonationwaveand(b)anengineintegratedintoahypersonicplane[30]

由于斜爆震波能夠駐定在燃燒室內(nèi)部而不發(fā)生間斷，因此只要持續(xù)提供超聲速來流預混氣，就能夠產(chǎn)生連續(xù)推力，它被認為是一種更加適用于高超聲速沖壓飛行的推進方式。

從20世紀80年代開始，人們就對斜爆震發(fā)動機的可行性進行論證，并對其性能優(yōu)勢進行評估。Ashford等[31]基于理想氣體和真實氣體假設對斜爆震發(fā)動機的性能進行評估，發(fā)現(xiàn)斜爆震發(fā)動機能夠提供與擴散燃燒近似的性能，但在燃燒室尺寸和熱防護方面具有較大優(yōu)勢。Kailasanath[32]對爆震燃燒循環(huán)相對于傳統(tǒng)基于等壓燃燒循環(huán)的優(yōu)勢進行討論，認為爆震發(fā)動機的熱力循環(huán)效率接近等容燃燒，顯著高于等壓燃燒循環(huán)。Valorani等[33]建立一個數(shù)學模型來預測斜爆震發(fā)動機的整體性能，取得了較好的效果。Wolański[34]在對爆震推進進行綜述時提到了波蘭人Kindracki的工作，他對3種理想熱力循環(huán)過程，即Humphrey循環(huán)(Isochoric循環(huán))、Brayton循環(huán)(Isobaric循環(huán))和Fickett-Jacobs循環(huán)(爆震循環(huán))進行了對比分析，發(fā)現(xiàn)在其研究的初始壓比為5的情況下，F(xiàn)ickett-Jacobs循環(huán)在3種循環(huán)中熱力循環(huán)效率最高，比Brayton循環(huán)高出20%以上，甚至略高于Humphrey循環(huán)。Wolański還對爆震燃燒相對于爆燃燃燒方式的優(yōu)勢進行了對比總結(jié)，如表1所示。

表1 爆震燃燒與爆燃燃燒對比[34]Table 1 Comparison between deflagrative combustion and detonative combustion[34]

長期以來，各國學者對斜爆震特性進行了不斷探索，研究內(nèi)容十分豐富，下文將從斜爆震波的起爆和駐定特性以及斜爆震結(jié)構(gòu)等方面對已有文獻進行綜述，重點對斜爆震相關(guān)的實驗研究進行介紹，并對主要的數(shù)值模擬研究結(jié)果進行概述。

1 斜爆震波起爆和駐定特性

1.1 斜爆震波的起爆

爆震波的起爆通常分為2種，即直接起爆和間接起爆。間接起爆就是通常所說的爆燃轉(zhuǎn)爆震(DDT)，這種方式下爆震起爆起始于爆燃燃燒，經(jīng)過持續(xù)的火焰加速過程達到超聲速后突然轉(zhuǎn)變成爆震，這一起爆方式需要的起爆能量較低，比較容易實現(xiàn)，但由于其需要一定的火焰加速時間,因此起爆時間較長，通常用于靜止氣中的爆震波起爆。對于超聲速氣流中的爆震波起爆，由于預混氣在燃燒室內(nèi)的駐留時間非常短暫，爆震波的起爆必須在極短的時間內(nèi)完成，因此通常采用直接起爆方式。直接起爆不需要經(jīng)過火焰加速過程，而是通過一定手段在極短時間內(nèi)向預混氣中注入極高的能量產(chǎn)生強激波，波后的高溫高壓使混合物發(fā)生反應并迅速與強激波發(fā)生耦合,最終形成爆震波。直接起爆有多種方式，如強激波誘導起爆、熱射流起爆和光學起爆等。超聲速氣流中的斜爆震波起爆通常是通過強激波誘導的方式來實現(xiàn)。目前主要有4種實驗方案，一是利用膨脹管[35-37]起爆，這種方法實現(xiàn)難度較小，但其工作時間也較短，斜爆震通常難以達到完全起爆的狀態(tài)；二是利用激波管內(nèi)隔膜進行起爆，這種實驗方案與膨脹管類似，難度相對較小，但實驗中可供觀測的時間窗口較短，僅能對斜爆震波的瞬時結(jié)構(gòu)進行觀測而無法研究其駐定特性；三是將高速彈丸射入可燃預混氣中實現(xiàn)起爆，此類實驗通常是在靜止氣中完成，這是目前斜爆震研究應用最多的一種實驗方式；四是利用超聲速風洞進行起爆，這種方法最接近真實斜爆震發(fā)動機應用條件，不僅能夠觀測到斜爆震波的起爆過程，還能對起爆后的斜爆震波的駐定特性進行研究，但是由于斜爆震起爆對來流條件要求極高，實驗系統(tǒng)建造難度大、成本高，目前基于這種實驗手段的研究結(jié)果相對較少。

對起爆問題的研究早在19世紀40年代就已經(jīng)開始。Zeldovich和Leipunsky[38]用高速射彈對激波誘導燃燒和爆震問題進行了研究，他們發(fā)現(xiàn)弓形激波后流動駐留時間與化學反應特征時間之間的關(guān)系是影響實驗結(jié)果的關(guān)鍵因素，但是由于實驗次數(shù)不多且不夠系統(tǒng)，獲得的結(jié)果非常有限。隨后，國內(nèi)外學者對靜止可燃混合氣中的高速射彈問題進行了一定的實驗研究[39-40]，但研究的重點大多是激波誘導的不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象[41-47]，而未得到斜爆震波起爆條件的相關(guān)規(guī)律。圖2為Lehr[48]在實驗中得到的激波誘導不穩(wěn)定燃燒的流場陰影圖。

圖2 高速射彈引起的激波誘導不穩(wěn)定燃燒陰影圖[48]

Fig.2Shadowgraphofshock-inducedcombustiononsupersonicprojectile[48]

Broda等[49]利用激波管中的薄膜運動成功實現(xiàn)了斜爆震波的起爆，實驗結(jié)果表明，薄膜厚度對斜爆震波起爆的位置有顯著影響。當薄膜較厚時，高壓燃燒波在經(jīng)過激波一段距離后才形成，斜激波向斜爆震波轉(zhuǎn)變的位置更靠下游。當采用最薄的薄膜進行實驗時，斜爆震波幾乎在薄膜斜劈的頂點就實現(xiàn)起爆。Desbordes等[50]采用了與Broda相同的激波管實驗方法，對不同馬赫數(shù)條件下的斜爆震起爆情況進行了研究，發(fā)現(xiàn)激波管實驗與射彈實驗相似，在不同條件下同樣存在斜爆震波與激波誘導燃燒兩種燃燒機制。Kamel等人[51]通過紋影和平面激光誘導熒光(PLIF)同步技術(shù)對高速射彈中的斜爆震以及激波誘導燃燒現(xiàn)象進行了實驗觀測，但多數(shù)工況下僅得到不穩(wěn)定燃燒的結(jié)果，僅在活性最高的預混氣中成功實現(xiàn)了斜爆震波的起爆。

柳森等[52-53]建立沖壓加速器以進行高速射彈起爆斜爆震波的實驗研究，但僅對實驗系統(tǒng)的建造和檢驗給出了詳細介紹，并未給出爆震起爆相關(guān)的規(guī)律性結(jié)果。南京理工大學崔東明等[54-56]以及中國科學院力學研究所袁生學等[57-58]也在同期進行了駐定斜爆震的初步研究與分析，主要考慮了不同混合物當量比以及運動速度對起爆的影響，但當時采取的觀測手段比較有限，研究結(jié)果也很有限。

Sturtzer[59]利用高速射彈研究了不同可燃混合物中鈍頭體起爆的幾個模態(tài)，得到了流場中激波面與燃燒區(qū)的清晰紋影圖像。

林志勇[60]利用高焓超聲速風洞對激波誘導燃燒和脫體斜爆震波起爆進行了研究，通過實驗分析了激波誘導燃燒和斜激波誘導斜爆震起爆的過程，并對激波強度、預混氣活性以及斜劈角度等因素的影響進行了研究。韓旭[61]同樣利用高焓超聲速風洞進行了斜劈誘導斜爆震起爆的實驗，對超聲速氣流中的斜爆震波的起爆問題進行了研究，結(jié)果表明當量比越高，斜劈角度越大，越容易起爆，但馬赫數(shù)對于起爆極限的影響是不確定的，斜爆震的起爆是斜劈角度和馬赫數(shù)這2種相反作用共同導致的。

關(guān)于斜爆震波起爆準則的定量研究開始于20世紀90年代，Vasiljev[62]和Lee[63]最早各自獨立地提出了基于臨界起爆能量的高速射彈直接起爆爆震波的理論，該理論被稱為Vasiljev-Lee準則或者能量準則。該準則認為，高速射彈在運動中產(chǎn)生的軸對稱激波與線能量源產(chǎn)生的圓柱形沖擊波的不穩(wěn)定膨脹類似。在射彈高速運動過程中，阻力對可燃氣做功，當單位長度內(nèi)阻力做功不小于圓柱爆震起爆時單位長度內(nèi)所需要的臨界能量時，斜爆震波才能成功起爆。

Higgins和Bruckner[64]在后來的高速射彈實驗中利用壓力測量的方法對斜爆震波的起爆進行了研究。實驗結(jié)果表明，斜爆震的直接起爆和起爆失敗之間存在明顯的界限，將實驗結(jié)果與能量準則進行對比發(fā)現(xiàn)，當射彈速度接近爆震C-J速度時，實驗結(jié)果與能量準則吻合較好。而當射彈速度低于C-J速度時，能量準則僅在壓力小于100kPa的工況下有效，而對于高壓工況，能量準則會高估其起爆能量，即在能量準則預測的能夠起爆的壓力下,實驗中并未實現(xiàn)起爆。Higgins和Bruckner認為造成這種偏差的原因是射彈低速運動時做功的能量不能迅速被可燃氣吸收，因此難以實現(xiàn)直接起爆。

后來Ju等人[65]對激波誘導燃燒和爆震起爆的界限進行數(shù)值模擬研究，指出能量準則之所以存在偏差，是因為其忽略了有限速率化學反應和不穩(wěn)定過程的影響，其假定了可燃氣能夠瞬時吸收射彈的做功并迅速起爆，而未考慮自點火延遲效應。基于此認識，Ju等人[66]在之后的數(shù)值模擬和理論分析中基于Damk?hler數(shù)提出了化學動力學準則。該準則認為要實現(xiàn)斜爆震波的成功起爆，必須滿足射彈在預混氣中運動的時間內(nèi)先實現(xiàn)了預混氣的自點火，也就是說只有當Damk?hler數(shù)Daig=τig/τtr≤1時，爆震波才能夠?qū)崿F(xiàn)起爆。其中τig表示弓形激波后滯止溫度和滯止壓力下的自點火延遲時間，τtr表示射彈在可燃氣中運動的時間。他們將這一化學動力學準則和能量準則結(jié)合起來，提出了統(tǒng)一的爆震起爆理論，認為爆震直接起爆必須同時滿足2個準則。該統(tǒng)一理論與他們的實驗結(jié)果非常吻合。

Verreault和Higgins[67]通過系統(tǒng)的實驗研究對能量準則和化學動力學準則進行了驗證。他們在實驗中觀測到了5種燃燒機制，即直接斜爆震波、延遲斜爆震波、不穩(wěn)定燃燒機制、波分離機制以及完全惰性激波，如圖3所示，并結(jié)合能量準則和化學動力學準則對各種燃燒機制出現(xiàn)的區(qū)域進行了分析，分析結(jié)果如圖4所示。

圖3 不同工況下高速射彈產(chǎn)生的不同燃燒機制：(a) 直接斜爆震波，(b) 延遲斜爆震波，(c)、(d) 不穩(wěn)定燃燒機制，(e) 波分離機制，(f) 惰性激波[67]

Fig.3Differentcombustionregimesunderdifferentconditions: (a)promptODW, (b)delayedODW, (c), (d)combustioninstability, (e)wavesplitting, (f)inertshockwave[67]

Fig.4Comparisonbetweenthetheoreticallimitsandtheexperimentalresults[67]

1.2 斜爆震波的駐定

斜爆震波成功起爆后能夠穩(wěn)定駐定是斜爆震發(fā)動機穩(wěn)定工作的必要條件，但斜爆震波的穩(wěn)定駐定并不像斜激波那樣容易，而是需要滿足更多的條件。Pratt等[68]最早利用爆震極曲線對斜爆震波的駐定進行理論分析，他們指出斜爆震波能夠穩(wěn)定駐定的條件是來流馬赫數(shù)Ma∞>MaC-J，斜劈角度θw應滿足條件θC-J<θw<θdet。其中Ma∞為來流馬赫數(shù)，MaC-J為預混氣的C-J馬赫數(shù)，θC-J表示對應于C-J斜爆震波的流動偏轉(zhuǎn)角，θdet表示對應于脫體斜爆震波的流動偏轉(zhuǎn)角。Li[69]的觀點與Pratt一致，認為要實現(xiàn)斜爆震波的駐定需要保證斜劈角度小于一個臨界的斜劈角度，一旦斜劈角度大于該角度，斜爆震波便會從斜劈前緣脫離，向上游傳播，并認為這個臨界角度與斜激波后的聲速有關(guān)。

目前關(guān)于斜爆震波駐定特性的研究多基于高速射彈實驗，日本筑波大學的研究團隊在該實驗方法上發(fā)展較為成熟并取得了較多的研究結(jié)果。Maeda[70-71]采用了球形彈丸對駐定斜爆震波進行可視化觀測，其實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，射彈上穩(wěn)定駐定的斜爆震波出現(xiàn)的臨界條件可以用彈丸直徑和胞格尺寸的比值來表示，他們得到的彈丸直徑與胞格尺寸的臨界比值d/λ在3.63～4.84之間，而對于惰性氣體稀釋的預混氣則在6.0左右，當比值大于該臨界值時，爆震波能夠成功起爆。Maeda等[72]還通過高時間分辨率紋影技術(shù)對高速射彈上斜爆震波的演化過程進行觀測，并在臨界穩(wěn)定的C-J斜爆震狀態(tài)發(fā)現(xiàn)了一種由激波誘導燃燒、C-J斜爆震以及局部爆炸組成的不穩(wěn)定波結(jié)構(gòu)，即Straw Hat結(jié)構(gòu)，而這種結(jié)構(gòu)根據(jù)斜爆震波是否駐定又可分成2種傳播類型，如圖5所示。此外，Maeda等人[73-74]對高速射彈上的斜爆震波的起爆和自持機理進行了實驗研究和理論分析，并分析了高速射彈的三維曲率效應和尺度效應對斜爆震的影響，發(fā)現(xiàn)三維曲率效應會削弱射彈表面附近的爆震波強度，且射彈尺度對斜爆震的駐定也具有重要影響。

圖5 斜爆震波的“Straw Hat”結(jié)構(gòu)流場陰影圖[72]Fig.5 Shadowgraphs of “Straw Hat” structure of oblique detonation waves[72]

除了高速射彈實驗，國防科技大學在高焓超聲速風洞中也開展了斜爆震駐定特性的相關(guān)實驗研究。林志勇等[78]對脫體斜爆震波的特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)脫體爆震波在發(fā)展過程中存在強烈的不穩(wěn)定性，并且會出現(xiàn)熄滅與重新起爆現(xiàn)象。其分析認為初始的高靜溫、燃料的低當量比和湍流脈動等因素是導致脫體爆震波熄爆又重新起爆的主要因素。韓旭[61]同樣利用高焓超聲速風洞實驗系統(tǒng)對斜爆震波的駐定特性進行了研究，其發(fā)現(xiàn)由于流道高度有限，斜爆震波在上壁面發(fā)生了反射進而導致斜爆震波前傳，并對前傳機理進行了理論分析。

影響斜爆震駐定特性的因素主要有來流預混氣工況和斜劈角度，其中來流工況受可燃氣種類、當量比、來流馬赫數(shù)、來流壓力和溫度等諸多因素的綜合影響，而這些影響因素中來流馬赫數(shù)和斜劈角度的影響又最為顯著，因此許多學者對斜爆震駐定特性的研究都是針對不同來流馬赫數(shù)和斜劈角度。實際上，更多的關(guān)于斜爆震波駐定特性的研究是基于數(shù)值模擬手段開展，且更多關(guān)注穩(wěn)定和不穩(wěn)定斜爆震波流場結(jié)構(gòu)特征或者斜爆震前傳的過程。Lefebvre[79]等對高速射彈起爆的斜爆震駐定特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)斜爆震波的駐定和前傳與否對馬赫數(shù)變化非常敏感。Vlasenko[80]發(fā)現(xiàn)當大范圍地改變來流預混氣當量比時，斜爆震波依然能夠穩(wěn)定駐定，但斜爆震波面會隨著當量比的變化而發(fā)生顯著彎曲。Fusina等[81-82]和Teng等[83]在研究中發(fā)現(xiàn)斜爆震對來流擾動具有較強的抵抗能力而保持穩(wěn)定。Liu等[84]發(fā)現(xiàn)低馬赫數(shù)條件下，馬赫數(shù)降低和斜劈角度的增加都會使得斜爆震波位置前移，但斜爆震波穩(wěn)定性更強。此外，部分學者[85-88]還對斜劈角度大于斜爆震附體角度的脫體斜爆震進行了相關(guān)仿真研究。

從以上研究可以看出，激波管和膨脹管在近期的斜爆震研究中已經(jīng)很少使用，高速射彈和超聲速風洞是目前斜爆震研究的主要手段。高速射彈實驗系統(tǒng)相對來說更為簡單，實驗中的干擾因素更少。但由于其觀測時間較短，難以得到長時間穩(wěn)定駐定的斜爆震波，并且高速射彈上得到的是軸對稱斜爆震波，其起爆和駐定規(guī)律又不能直接用于平面斜爆震波。超聲速風洞實驗系統(tǒng)理論上與斜爆震應用更加接近，也能夠形成長時間穩(wěn)定駐定的斜爆震，是斜爆震實驗研究的一個發(fā)展方向，但由于其實驗系統(tǒng)復雜，干擾因素眾多，導致流場結(jié)構(gòu)不清晰，不利于系統(tǒng)分析，要有效開展更細致的斜爆震實驗，還需要對實驗系統(tǒng)進行極大完善。

2 斜爆震波結(jié)構(gòu)研究

2.1 過渡區(qū)結(jié)構(gòu)

早期斜爆震波通常被視為一個強的激波間斷，直到Li[89]對斜爆震結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性進行研究之后，發(fā)現(xiàn)斜爆震波的基本結(jié)構(gòu)包括無反應斜激波、誘導區(qū)、爆燃波系以及反應激波，其中無反應激波和反應激波是通過三波點分開的。Viguier等[90]對駐定的斜爆震波結(jié)構(gòu)進行了實驗和數(shù)值模擬研究，其數(shù)值模擬得到的斜爆震結(jié)構(gòu)在整體上與實驗結(jié)果吻合較好，并且與Li提出的斜爆震波結(jié)構(gòu)一致。而Broda[49]在實驗研究中觀測到了不同類型的斜爆震結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)中并不存在明顯的三波點，而是一種平滑的波面結(jié)構(gòu)，但由于觀測結(jié)果不夠清晰，所以并不能完全確認這種結(jié)構(gòu)的存在。直到Vlasenko和Sabel’nikov[80]通過數(shù)值模擬研究才確認了這種平滑型斜爆震結(jié)構(gòu)的存在。此后，斜爆震波的過渡區(qū)結(jié)構(gòu)被劃分為突躍型和平滑型2種，如圖6所示。

(a) 突躍型過渡區(qū)結(jié)構(gòu)

(b) 平滑型過渡區(qū)結(jié)構(gòu)

由于斜爆震波過渡區(qū)結(jié)構(gòu)受到來流工況和斜劈角度等諸多因素的共同影響，而實驗手段難以將各種因素的影響完全分離并進行針對性的研究，因此對過渡區(qū)結(jié)構(gòu)的研究多是基于數(shù)值模擬手段。早期關(guān)于過渡區(qū)結(jié)構(gòu)的研究通常關(guān)注2種過渡區(qū)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的條件，通過研究得到了大量定性的規(guī)律，一般認為當預混氣活性較高，馬赫數(shù)較低，斜劈角度較大時更容易形成突躍型結(jié)構(gòu)，反之，則形成平滑型過渡區(qū)結(jié)構(gòu)[79, 91]。而后續(xù)的研究[92]發(fā)現(xiàn)斜劈角度對過渡區(qū)結(jié)構(gòu)的影響并非是單調(diào)的，即在能夠起爆的情況下，較小的斜劈角度下也容易形成突躍型過渡區(qū)結(jié)構(gòu)。隨著研究的不斷深入，學者們發(fā)現(xiàn)，突躍型的斜爆震波結(jié)構(gòu)更加復雜。尤其是近期，大量研究發(fā)現(xiàn)隨著來流馬赫數(shù)的降低，過渡區(qū)結(jié)構(gòu)會更加復雜[93-97]，但這些復雜的過渡區(qū)結(jié)構(gòu)仍僅在數(shù)值模擬中出現(xiàn)，而未在實驗中得到驗證。

除此以外，國內(nèi)外學者也對斜爆震波過渡區(qū)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變條件進行了研究，不同學者提出了不同的判據(jù)[92, 98-100]，且不同判據(jù)均有其合理性。實際上，不同的判據(jù)本質(zhì)上是一致的，但目前并沒有找到能夠?qū)⑺鼈兘y(tǒng)一起來的理論。劉彧等[101]基于化學非平衡效應對不同過渡區(qū)結(jié)構(gòu)的形成機理進行了分析，并對比討論了已有判據(jù)的等價性和充要性，認為2種過渡區(qū)結(jié)構(gòu)可能并不存在明顯的界限，并在之后的研究中[102]發(fā)現(xiàn)了突躍-平滑型過渡區(qū)轉(zhuǎn)變遲滯現(xiàn)象，一定程度上印證了2種過渡區(qū)并不存在明顯界限的結(jié)論。之后，為了研究哪種過渡區(qū)結(jié)構(gòu)更適用于斜爆震推進，Miao等[103]對不同過渡區(qū)結(jié)構(gòu)的斜爆震波的穩(wěn)定性和熱力循環(huán)效率進行分析，發(fā)現(xiàn)處于臨界轉(zhuǎn)變區(qū)域的斜爆震波具有較高的熱力循環(huán)效率和較強的穩(wěn)定性，因此更有利于斜爆震發(fā)動機穩(wěn)定高效工作。

2.2 波面不穩(wěn)定橫波結(jié)構(gòu)

過渡區(qū)結(jié)構(gòu)屬于斜爆震波的宏觀特性，其決定了斜爆震波的整體結(jié)構(gòu)。此外，與正爆震波一樣，由于爆震燃燒流場具有強烈不穩(wěn)定性，斜爆震波面也具有復雜的橫波結(jié)構(gòu)，斜爆震波面胞格結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了斜爆震波面的不穩(wěn)定性，這是爆震波最重要和最復雜的性質(zhì)。要對這種不穩(wěn)定橫波結(jié)構(gòu)開展實驗研究，需要時間和空間上具有極高精度的觀測手段。

Viguier等[104]在斜激波管中進行了斜爆震結(jié)構(gòu)的實驗研究，通過紋影和PLIF同步技術(shù)驗證了斜爆震的過渡區(qū)結(jié)構(gòu)，如圖7所示。他們還通過煙膜對斜爆震波面的不穩(wěn)定胞格結(jié)構(gòu)進行了研究，發(fā)現(xiàn)當誘導時間較短時胞格軌跡是穩(wěn)定的，而當誘導時間較長時，三波點軌跡會出現(xiàn)周期性的不穩(wěn)定振蕩，且振蕩周期和幅度隨著誘導時間的增加而增大。實際上，其研究中除了煙膜圖外，紋影圖像精度還是不足以進行更加細致的分析。

(a)

(b)

圖7 斜激波管中得到的斜爆震波紋影(a)和PLIF圖像(b)；OSW：斜激波，ODW：斜爆震波，TW：橫波，OF：傾斜火焰[104]

Fig.7SchlierenandPLIFimagesofdelayedobliquedetonationwave.OSW:obliqueshockwave;ODW:obliquedetonationwave;TW:transversewave;OF:obliqueflame[104]

此后，關(guān)于斜爆震不穩(wěn)定橫波結(jié)構(gòu)的研究基本都是基于數(shù)值模擬方法進行，由于不穩(wěn)定橫波尺寸較小，數(shù)值模擬研究往往需要極高的網(wǎng)格精度[105]。初期的數(shù)值模擬研究[106-107]認為，斜爆震波面不穩(wěn)定橫波結(jié)構(gòu)與正爆震不同，這些橫波只向流場下游傳播，橫波之間幾乎沒有交叉。而隨著數(shù)值模擬精度的不斷提高，人們發(fā)現(xiàn)在穩(wěn)定的爆震波面上存在向2個方向傳播的橫波結(jié)構(gòu)[108-110]，即左行橫波和右行橫波，并對微波結(jié)構(gòu)和它們的演化過程進行了分析[111-112]。部分學者還對溫度[113-114]、過驅(qū)度[115-116]等因素對橫波結(jié)構(gòu)的影響進行了系統(tǒng)研究，并得到了定性和定量的規(guī)律。

由此可見，不論是斜爆震過渡區(qū)結(jié)構(gòu)還是波面不穩(wěn)定橫波結(jié)構(gòu)，大多數(shù)結(jié)論還是基于數(shù)值模擬方法得到，而受實驗手段的限制，很多結(jié)論還無法開展實驗驗證。尤其是斜爆震波面的橫波結(jié)構(gòu)異常精細而復雜，對其進行更加深入的研究一方面依賴于數(shù)值方法的改善和極高的網(wǎng)格精度，另一方面也依賴于實驗研究中采用極高精度的流場觀測手段，而這兩者在當前都未能完全解決，因此其形成機理尚未被完全認識，更沒有合適的理論模型對其進行描述，直到目前這仍然是斜爆震研究的難點之一。

3 爆震波與湍流邊界層的相互作用

目前，絕大多數(shù)斜爆震方面的研究都是基于無粘假設，從而忽略了湍流條件、邊界層等復雜因素的影響。而實際上，爆震波是激波與燃燒相互耦合形成的，因此同激波類似，在流場中必然存在復雜的爆震波與邊界層相互作用以及爆震波與湍流的相互作用，但目前相關(guān)的研究還非常少。Li等人[117]最早研究了邊界層條件下的斜爆震結(jié)構(gòu)，認為波后邊界層對于斜爆震整體結(jié)構(gòu)并沒有顯著影響。近期王愛峰等[118]也對粘性條件下斜爆震波的起爆和駐定特性進行了數(shù)值模擬研究，其結(jié)論與Li基本一致。但兩者均是對層流粘性下的波后邊界層進行了研究，而沒有涉及到湍流條件下的斜爆震特性。目前可查的湍流與爆震相互作用的相關(guān)文獻，絕大多數(shù)都是關(guān)于湍流對靜止氣流中正爆震波的傳播或者對DDT過程的影響[119-137]。少部分文獻對湍流影響下的旋轉(zhuǎn)爆震進行了研究[138-139]。而超聲速湍流流動中的斜爆震問題直到近期才得到學者的關(guān)注，Choi等[140]對湍流條件下沖壓加速器內(nèi)部流場和邊界層影響下的工作性能進行了研究，分析了波后邊界層對斜爆震波反射和駐定特定的影響，發(fā)現(xiàn)邊界層對沖壓加速器推力性能有顯著影響，并且會減小斜爆震駐定范圍。此外，其研究發(fā)現(xiàn)斜爆震流場中會形成分離泡，對斜爆震流場結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，其流場結(jié)構(gòu)如圖8所示。但是Choi等對分離泡的形成條件及其對斜爆震特性的影響沒有給出相應的研究結(jié)果。

圖8 斜爆震流場中的激波邊界層相互作用示意圖[140]

Fig.8Schematicofshock/boundarylayerinteractioninODWflowfield[140]

劉彧等[141]基于高焓超聲速風洞實驗系統(tǒng)研究了湍流邊界層對斜爆震結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)來流邊界層分離能夠影響斜爆震波的過渡區(qū)形態(tài)。當分離區(qū)較小時，來流邊界層對斜爆震形態(tài)幾乎沒有影響。在中等分離區(qū)尺度下，斜爆震會出現(xiàn)間歇性的突躍型和平滑型過渡區(qū)結(jié)構(gòu), 如圖9所示。而在大尺度分離區(qū)的影響下，過渡區(qū)結(jié)構(gòu)一般會變?yōu)槠交?。此外，Yu等[142]也對不同湍流強度下的斜爆震起爆區(qū)長度、起爆極限和過渡區(qū)進行了仿真研究，但沒有考慮邊界層的影響。

圖9 超聲速風洞中在中等邊界層分離區(qū)尺度下得到的間歇突躍-平滑型的斜爆震波[141]

Fig.9Intermittentabrupt-delayedobliquedetonationwaveundermoderatescalesofboundarylayerseparationinasupersonicwindtunnel[141]

根據(jù)僅有的研究結(jié)果可知，湍流條件對斜爆震流場存在顯著的影響，這方面的研究卻十分缺乏，有必要對湍流條件下的斜爆震波起爆過程、流場結(jié)構(gòu)、駐定特性以及不穩(wěn)定性進行更加系統(tǒng)的研究。而這一方面依賴于超聲速來流中斜爆震實驗能力的大幅提高，另一方面也需要將湍流模型和高精度網(wǎng)格合理高效地應用于斜爆震的數(shù)值模擬研究。

4 問題與建議

從已開展的研究不難看出，盡管斜爆震發(fā)動機的概念已經(jīng)提出多年，但斜爆震發(fā)動機目前仍然處于基礎研究階段，人們對真實流動條件下的斜爆震波的認識還不夠深刻，對斜爆震應用的探索也十分有限。這一方面是由于人們對斜爆震波起爆和駐定機理的理論研究還不夠透徹，另一方面,更主要的原因是斜爆震實驗過程中的一系列實際問題難以得到有效解決，組織斜爆震實驗難度極大，很多工程應用將會面臨的實際問題更是涉及較少。目前存在的問題主要包括：

(1) 超聲速風洞斜爆震實驗系統(tǒng)不夠完善。斜爆震波的起爆需要在超聲速來流條件下才能實現(xiàn)，馬赫數(shù)越高越容易實現(xiàn)斜爆震波的起爆。同時，斜爆震起爆又受預混氣來流靜壓的顯著影響，來流靜壓越高，斜爆震波越容易實現(xiàn)起爆。而提高來流靜壓和來流馬赫數(shù)對來流總壓和流量提出了極高的要求，這使得實驗系統(tǒng)的建造難度極大，成本極高。

(2) 斜爆震起爆對來流的混合程度要求很高。斜爆震波的起爆起始于超聲速氣流中的激波誘導燃燒，而來流的混合程度將影響到激波誘導燃燒過程，進而影響到斜爆震波的起爆。如果來流混合不充分，會增大斜爆震波的起爆難度甚至造成無法成功起爆。即便成功起爆，也可能影響爆震波的穩(wěn)定性，甚至導致斜爆震波熄爆。但目前對高焓來流混合的均勻程度尚沒有可靠的測量手段，這是實驗面臨的一個重要困難。

(3) 斜爆震起爆和駐定問題。斜爆震波成功起爆并且穩(wěn)定駐定是斜爆震發(fā)動機正常工作的前提條件，通常斜爆震波的起爆是通過斜劈誘導實現(xiàn)的，而斜劈的角度對斜爆震波的起爆和駐定有著顯著的影響。根據(jù)已有研究，斜劈角度越大，越有利于斜爆震起爆。但隨著斜劈角度的增大，來流的總壓損失和飛行阻力也將顯著增大。同時，斜劈角度的增大也將導致斜爆震波能夠?qū)崿F(xiàn)駐定的工況范圍減小，容易造成斜爆震波脫體前傳，不利于發(fā)動機穩(wěn)定工作。因此，在減小總壓損失、降低起爆難度以及增加斜爆震波駐定范圍之間如何取得一個平衡，也是一個重要課題。

(4) 斜爆震反射及其與邊界層相互作用。通常對于斜爆震波的研究均假設斜爆震波在非受限空間中起爆和駐定。但實際斜爆震發(fā)動機燃燒室對斜爆震波而言是受限空間，在這一受限空間內(nèi)斜爆震波起爆后并不能無限延伸，必然會在燃燒室壁面上發(fā)生反射，并在反射過程中受到邊界層的影響，這就極易對斜爆震波的流場結(jié)構(gòu)和駐定特性產(chǎn)生影響，甚至造成爆震波脫體前傳。然而，直到目前人們對斜爆震反射的研究也十分有限，考慮其與邊界層相互作用的研究更是少之又少，因此人們對于這一過程的內(nèi)在機理并未深入了解，更無法通過有效手段對其進行有效控制。

(5) 湍流條件對斜爆震起爆和駐定的影響。在真實飛行條件或者實驗條件下，超聲速來流具有顯著的湍流特性。目前數(shù)值模擬研究多是基于無粘歐拉方程，很少涉及湍流對斜爆震波的影響，而在實驗研究中又難以對流場的湍流度進行有效的測量或者評估。因此這也是斜爆震研究的一個重要問題。

由此可見，對接近真實條件下的斜爆震起爆和自持特性進行研究，深入理解斜爆震不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)形成的本質(zhì)原因，加深對斜爆震機理問題的認知，并探索斜爆震發(fā)動機可能面臨的實際問題，將斜爆震研究向工程應用推進，是當前以及將來一段時間內(nèi)需要實現(xiàn)的目標。結(jié)合當前斜爆震研究發(fā)展的現(xiàn)狀，亟待開展的工作主要包括以下幾個方面：

(1) 對斜爆震實驗方案進行改進和完善，提高實驗能力，開展更加接近真實條件下的斜爆震研究，主要包括：(a) 建造高焓超聲速風洞實驗系統(tǒng)，提高來流馬赫數(shù)和來流靜壓，增強預混氣中斜爆震起爆能力；(b) 對預混氣來流的混合程度進行測量和評估，并采取有效的措施進一步提高混合效果；(c) 采用更加精確的流場觀測手段對斜爆震流場進行更加細致的研究；(d) 設計可靠的主動或被動手段對流場邊界層以及斜爆震波的起爆和駐定進行有效控制。

(2) 開展湍流條件下的斜爆震起爆和駐定特性研究。真實條件下的湍流效應顯著，而在湍流流動中斜爆震的起爆和駐定特性還需要進行深入研究，特別是湍流條件下的邊界層效應對斜爆震起爆和駐定特性的影響規(guī)律。此外，由于斜爆震的穩(wěn)定性和熱力循環(huán)效率與來流工況有著相反的變化規(guī)律，分析湍流條件下斜爆震波的穩(wěn)定性和熱力循環(huán)效率，結(jié)合發(fā)動機參數(shù)確定斜爆震發(fā)動機的最優(yōu)工作窗口也至關(guān)重要。這也需要在湍流燃燒模型上作出突破，當前將湍流模型與網(wǎng)格自適應加密技術(shù)相結(jié)合是較為可行的思路。

(3) 開展受限超聲速流道中的斜爆震反射與駐定特性研究。深入研究斜爆震反射及其與邊界層相互作用對斜爆震流場結(jié)構(gòu)和駐定特性的影響，采取有效方案消除其不利影響是一個重要課題。對受限流道中的斜爆震流場建立科學的理論模型，并探索合適的流道構(gòu)型，盡可能增加斜爆震駐定范圍是需要探索的重要課題。

(4) 通過進氣道壓縮、斜劈角度和邊界層控制等主動手段控制斜爆震波的駐定和起爆。真實的發(fā)動機工作環(huán)境極端苛刻，流場結(jié)構(gòu)非常復雜，僅僅依靠斜爆震固有的性質(zhì)實現(xiàn)斜爆震穩(wěn)定駐定并且有效工作難度極大，因此實際飛行條件下需要采取一定的主動手段對斜爆震流場進行適當且有效的控制。通過改變進氣道壓縮條件，改變斜劈角度以及利用邊界層抽吸或者增厚的手段對斜爆震駐定特性進行控制，是值得探索和嘗試的方法。