气相氛围中悬浮粉末燃料爆震燃烧研究进展

刘　龙，夏智勋，黄利亚

(1. 国防科技大学高超声速冲压发动机技术重点实验室， 长沙 410073；2. 国防科技大学航天科学与工程学院， 长沙 410073)

0　引　言

爆震发动机凭借能量释放速率快、结构简单、热循环效率高、推重比大等优点，日渐受到人们的广泛关注。目前爆震发动机所用燃料主要为气体(H2、CH4等)和液体(汽油、煤油等)，根据表1中数据，H2和煤油与几种典型的粉末燃料(Al、Mg、B、C等)相比，其质量热值都有较大优势，但粉末燃料的体积热值普遍高于传统的液体、气体燃料，即使在考虑粉末燃料装填空隙的条件下，粉末燃料的装填率可达到60%左右[1]，此时粉末燃料的体积热值相比液体、气体燃料仍有优势，即对于体积一定的燃料箱，装填粉末燃料能够为飞行器动力系统提供更多能量。同时，粉末燃料在贮存、使用过程中安全性高，粉末燃料着火燃烧不需考虑雾化问题。但作为爆震燃料粉末燃料亦有其不足，在传统气相燃料爆震中，化学反应在分子层面进行，以预混燃烧反应为主，反应速率高，而粉末燃料的着火燃烧过程主要发生在粉末颗粒的表面或周围区域，以表面燃烧(C、B等)或蒸发扩散燃烧(Al、Mg等)反应为主，反应速率较低，表现为燃料的点火延迟时间较长，直接起爆难度较大。因此若能够通过一定技术手段实现粉末燃料的稳定、可靠直接起爆，或者将粉末燃料作为燃料添加剂应用于气体、液体燃料爆震推进系统，结合气体、液体燃料容易起爆，粉末燃料燃烧放热多的优点，有望显著提高现有爆震发动机动力性能。

本文以粉末燃料爆震研究进展为主线，以纯粉末燃料爆震波、混合燃料爆震波为重点，综述了其在实验研究和数值模拟研究方面的进程和成果；总结分析了目前实验手段及数值模拟方法的特点和不足；以此为依据提出了后续研究重点。

表1　不同燃料的质量热值和体积热值Table 1　Enthalpy of reaction per unit of mass and volume of different fuels

1　纯粉末燃料爆震波

1.1　爆震波一维结构

图1所示为典型的粉末爆震波一维结构示意图，粉末燃料经过前导激波后在诱导区内受热升温实现着火，在后续的燃烧区内与氧化性气体反应释放能量用以维持爆震波的传播。由于粉末燃料化学反应速率较低，粉末爆震波结构诱导区和燃烧区厚度量级相当，与气相燃料爆震波结构(诱导区厚度比燃烧区高出1个量级)存在明显不同，即便如此，仍有部分粉末燃料在燃烧区内未能实现完全燃烧，通过CJ平面(马赫数为1的平面)之后继续反应，但此时反应放热对维持爆震波传播不再有贡献。

图1　爆震波结构示意图Fig.1　Scheme of detonation wave structure

Lee等[2]对燕麦粉的爆震燃烧问题，在欧拉坐标系下采用双流体模型建立了粉末爆震一维模型，模型考虑了气相与颗粒相之间的速度和温度延迟、气固混合物与管壁的摩擦损失热交换损失以及燃烧反应辐射损失。结果表明，在一定的粉末浓度范围内数值模拟结果与实验结果吻合较好，但计算得到的爆震波速度仍略高于实验测量值。而对于粉末浓度较高的情况，数值计算结果与实验值偏差较大。

Khasainov[3]和Veyssiere[4]对淀粉颗粒在O2中的爆震燃烧问题建立了一维爆震模型，模型中的气化参数是控制淀粉颗粒放热反应的关键，在合适的气化参数下，数值计算结果与实验数据吻合较好，但当淀粉浓度超过4000 g/m3后，实验证明爆震波存在，而此模型无法求解。同时此模型能够解释实验得到的爆震波速度不同是由于其粉末粒径、爆震管内径以及爆震管长度差异所造成的。此外，文献中给出了经简化的爆震波热力平衡速度预估公式：

(1)

式中：γCJ为CJ面处的混合物比热比，Q为反应热。计算结果与已有实验数据吻合较好，而对于粉末浓度较高的情况，数值计算结果与实验值偏差较大。

采用类似的松弛参数方法，Fedorov对含沥青成分的碳粉颗粒在O2中的爆震燃烧过程展开一维建模[6-7]，此模型将化学反应源项简化为3类：可挥发碳氢化合物(沥青)的高温分解和燃烧以及煤颗粒表面燃烧。数值计算结果表明，爆震波的稳态速度是碳粉颗粒初始浓度以及碳粉颗粒点火延迟时间的函数；可挥发碳氢化合物的高温分解和燃烧以及碳粉颗粒表面燃烧动力学参数是影响碳粉颗粒的燃烧时间的关键因素，而碳粉颗粒多孔性导致的表面积增加对燃烧过程影响甚微；通过分析前导激波后的流场参数，认为碳粉颗粒的燃烧时间远大于其点火延迟时间以及两相间的速度和温度延迟时间，因此碳粉颗粒燃烧时间是决定爆震波能否维持传播的关键。

1.2　爆震波空间结构

有关粉末燃料爆震的实验研究起始于上世纪60年代。Strauss[8]、Tulis[9]、Borisov[10]、浦以康[11]、Zhang[12-14]、刘庆明[15-16]等多国学者在不同尺寸爆震管内开展了粉末燃料爆震实验研究，如表2所示。结果表明，要实现粉末燃料的爆震燃烧所需的爆燃转爆震(Deflagration to Detonation Transition, DDT)距离明显长于气体或液体燃料[17-18]，提高点火源的点火能量可以缩短DDT距离。实验中测得的爆震波一维传播速度大都存在明显波动，难以得到一个稳定的爆震波速度值。其中，文献[12-14,16]在爆震管同一截面不同周向位置布置传感器，根据记录的高频压力信号推断出粉末爆震波在传播过程中存在沿周向的速度分量，并非单纯的一维平面结构。文献[13]针对粉末爆震波的旋转结构进行了深入研究，认为粉末爆震波的旋转结构与爆震管内径D以及粉末爆震波胞格尺寸λ有关。当D≤λ时，粉末爆震波为单头结构，此时前导激波后仅存在一道沿周向旋转的横波，三波点在内壁面的运动轨迹为一条与爆震管轴线成一定夹角的斜线；当D>λ时，粉末爆震波为多头结构，此时前导激波后沿周向的两个方向都有横波存在，三波点在内壁面的运动轨迹交织形成胞格结构。文献[14,19]中利用烟膜记录得到的爆震波胞格结构也与上述理论相符。此外，文献[19]中还提出了关于爆震管最小内径与胞格尺寸之间的关系：

(2)

式中：d0、p0分别为粉末燃料初始粒径以及气相初始压强，参数m、n根据不同工况取值不同。当D

表2　粉末爆震主要实验结果总结[8-16]Table 2　Summary of main experiment results of powder fuels detonation

Fedorov等[20]针对Al-O2管道内爆震问题所建立了二维爆震模型，得到了详细的横向胞格尺寸，如图2所示。数值计算结果表明，计算域宽度Y直接影响到胞格排列规律、尺寸大小分布，在胞格分布规律且尺寸相对均匀时，算例满足网格无关性条件；胞格尺寸是颗粒的粒径、点火延迟时间、燃烧时间以及两相间的速度延迟时间、温度延迟时间的函数，且与初值条件无关，针对胞格规则分布且尺寸相对均匀的稳态爆震波，提出了胞格尺寸与颗粒粒径关系式：

λ=λ0(d/d0)θ

(3)

式中：λ0=27 cm，d0=10 μm，θ=1.6；研究还发现，对于一维稳态自维持爆震波而言，由波后两相参数差值和延迟时间所对应的距离所定义的特征尺寸，与粉末燃料粒径也呈指数相关关系。此外，Fedorov等[21]还针对不同颗粒粒径分布的影响展开研究。数值计算结果表明，在一种粒径占主导地位的条件下，爆震波胞格尺寸由占主导的粒径颗粒决定；与单粒径组分相比，爆震胞格形成变慢，横波强度降低，三波点的峰值压力有明显降低；在一些粒径组合中，胞格爆震波存在完全衰退的情况，存在一个不同粒径颗粒质量分数比的范围，在此范围内，不会形成胞格，爆震波以平面形式传播。

Benkiewicz等[22]针对Al-O2爆震问题的二维模型，在计算方法方面采用了一种自适应网格微调方法，增加了爆震波区域内流场结构的分辨率(如激波面、不连续断面、密度高梯度变化区域等)，开展了对爆震波结构和波前演变过程的精细研究。结果表明，虽然现象的尺度不同，但Al颗粒在O2氛围的爆震过程与单纯气相爆震结果类似，如三波点的发展，前导激波和横波、三波点的震荡，在爆震波后燃料驻留形成的口袋状结构以及其他一些特征现象；在0.12 m宽、0.6 m长的计算域内，粒径2.5 μm的Al粉颗粒最终发展为双波并列模式，且对于稀薄气固混合物，颗粒浓度影响不大，此时爆震波胞格宽度尺寸约为6 cm量级，与文献[21]中根据实验数据估算的胞格尺寸0.05-0.10 m相符；对于1 μm粒径的Al粉颗粒，胞格结构更加精细，起初为11波并列模式，胞格特征宽度约为1.1 cm，随后爆震波结构变得略微不规则，发展为8.5波并列模式。此时胞格特征宽度约为1.4 cm；

图2　二维爆震问题胞格结构计算结果[20]Fig.2　Computation results of cellar structure in the 2-D detonation problem

Tsuboi等[23]针对玉米淀粉-O2爆震开展三维建模，数值计算得到了稳定的双向旋转爆震波结构以及内部的横波传播、三波点震荡的细节信息，其所选的动力学参数得到的爆震波轴向速度、旋转速度与文献[13]的实验数据符合度较好。

韦伟等[24]针对Al-O2爆震问题建立的二维模型考虑了气体粘性作用在爆震波传播过程中的影响。气体粘性的存在使得爆震波传播过程中阻力增加，传播速度、峰值压力均有所下降，但峰值速度更平稳。尤其是壁面附近黏性效应更加明显，表现为管壁处径向速度显著增加，而轴向速度明显下降。

由上述研究可以看出，在粉末浓度较高条件下现有模型计算结果并不理想，除粒径、浓度以及颗粒物质本身着火燃烧模式外，爆震管尺寸也是影响爆震波后流场参数及胞格尺寸的重要因素。为实现粉末燃料的爆震燃烧，对爆震管管径、管长都有一定要求，虽然在采用高能量点火源以及活性更高的O2作为氧化剂的条件下，爆震管尺寸可以适当减小(最小长度约2.7 m)，但作为飞行器动力系统仍然显得过于庞大，限制了以纯粉末作为燃料的爆震发动机的工程应用。

2　混合燃料爆震波

2.1　爆震波一维结构

在原本的气相爆震系统中加入可反应的粉末燃料便构成了粉末燃料-气相燃料-气相氧化剂混合爆震系统。其中，气相反应的时间尺度远小于气固两相反应，使前导激波后化学反应整体热量释放速率随时间呈非单调变化，爆震波结构更加复杂，同时粉末颗粒不仅与初始气相组分中的氧化性气体反应，也可能与气相爆震燃烧产物发生反应，因此混合爆震系统中，不同气相组分及粉末浓度条件下气相反应与气固两相反应的进行程度可能存在较大差异，与纯粉末爆震相比混合爆震波传播机理更加复杂。

Veyssiere[25]和Khasainov[26]等人在经典的ZND非理想爆震模型的基础上，以Al粉在H2-空气氛围中的爆震情况为例，建立一维混合爆震波模型，模型中假设Al粉主要跟气相反应产物水蒸气反应，根据爆震波后燃料能量释放效果，将混合爆震波划分为3种模式：第一种为Single-front detonation(SFD)模式，此时气相燃料和固相颗粒燃料燃烧释放的能量均用于维持爆震波的传播，流场中仅有一处间断面；第二种为Pseudo-gas detonation(PGD)模式，此时仅气相燃料燃烧释放的能量用于维持爆震波的传播，在气相爆震波CJ平面之前固相颗粒可视为惰性颗粒，而在CJ平面后，固相颗粒在气相爆震高温产物氛围中开始着火燃烧；第三种是Double-front detonation(DFD)模式，此时存在两道独立的爆震波，即气相燃料燃烧放热维持的爆震波在前，固相颗粒燃料燃烧放热维持的爆震波在后。在粉末颗粒燃料初始浓度较低时(100 g/m3)，爆震波最终以DFD模式稳定传播，而浓度较高时(250 g/m3)，爆震波先以PGD模式传播，之后由于CJ平面后颗粒反应产生的扰动使爆震波加速并最终以SFD模式稳定传播。

Zhang等[27-29]针对在C2H2-空气混合物中添加Al粉的爆震情形建立了一维混合爆震波模型，不同浓度和粉末粒径条件下的混合爆震波数值计算结果与Veyssiere[25]和Khasainov[26]类似，不同的是，Zhang将DFD模式又细分为2类，当Al粉粒径较小时(10 μm)，两爆震波之间的距离基本维持不变，而当Al粉粒径较大时(20 μm)，在传播过程中两爆震波之间的距离出现周期性震荡。

Uphoff等[30]提出了一种通用形式的一维混合爆震波模型，并针对C粉在H2-空气氛围中的爆震情形开展算例研究，其中气相H2-O2反应涉及8种组分，16个基元反应，而C粉颗粒除了考虑与O2分子反应外，也考虑其与H2-O2反应的中间产物O、OH反应。计算结果表明，即使最终爆震波能够以双波峰形式(DFD模式)传播，颗粒经历两爆震波后仍未反应完全，且在颗粒浓度较低、反应速率较低的条件下，传播过程中爆震波压力主峰存在明显震荡。

Carvel等[31]通过H2-O2-Ar混合物内加入可燃颗粒或惰性颗粒的爆震实验证明，在一定的颗粒粒径、颗粒浓度、气相组分及初始气压条件下，可燃颗粒与惰性颗粒对应的爆震波结构基本相同，存在明显的双波结构，即此时爆震波均以DFD模式传播。分析认为可燃颗粒形成双波结构是由于固相颗粒的点火延迟所致，与文献[32]中结论一致，而对于惰性颗粒形成双波结构，文中给出一种可能的解释：固相颗粒相对于气相存在速度滞后，在前导激波之后，固相颗粒密度并没有随气相密度同步急剧上升，其密度激增点位于气相密度激增点下游位置，处于后方的固相颗粒高密度区内，颗粒之间相互作用比重增大，对气相流动起到一定阻滞所用，从而使压力上升。

Wolinski等[33]在长4.5 m，内径8 cm的爆震管内开展了燕麦粉-CH4-空气混合物爆震实验，实验采用H2-O2产生的爆震波引爆混合物。实验结果表明，CH4-空气混合物本身不易形成爆震波，而加入燕麦粉则有助于爆震波的形成，这是由于燕麦粉受热挥发形成的气相组分对爆震波形成起到了促进作用，而波后悬浮颗粒在受热形成的高温热点的同时也提高了混合物的湍流度，也有助于爆震波的形成；形成最强爆震波时对应的燕麦粉浓度，随气相组分中CH4比例的增加而降低；燕麦粉浓度过高会抑制爆震波的形成，对应CH4体积分数为9%的工况条件，文中给出了一个经验公式用于计算爆震波熄灭的燕麦浓度上限

σ/d=1000 kg/m4

(4)

式中：σ为燕麦浓度上限，d为燕麦平均粒径，实验结果与此经验公式符合度较好。

2.2　爆震波空间结构

图3　烟膜记录的爆震波胞格结构[32]Fig.3　Soot tracks of the detonation cellar structure

Veyssiere等[32]开展Al-H2-空气混合物的爆震实验研究，得到了具有双波结构的连续爆震波(DFD传播模式)，分析认为由于H2与Al颗粒点火延迟存在差距，第一道爆震波由H2燃烧反应放热维持，第二道爆震波由Al燃烧反应放热维持。实验中还尝试用C2H4或C2H2替代H2，但没有得到连续双波结构；随后又针对不同类型的Al粉对爆震波波速和胞格结构的影响进行了实验研究，实验中采用三种Al粉(粒径3.5 μm球形粉A_1、粒径13 μm球形粉A_2，厚度0.5-1 μm片状粉F)，并与纯气相爆震进行了对比，爆震波结构对比如图3所示，添加A_1和F的爆震与纯气相爆震相比，爆震胞格尺寸更小且排列更规则，而添加A_2的爆震胞格尺寸比纯气相爆震大且更加不规则；添加A_1和F的爆震无论爆震波峰值还是后续燃烧产物的压力均高于纯气相爆震，而添加A_2的爆震从爆震波到达并进过100 μs的时间段内，压强水平与纯气相爆震十分接近，在爆震波峰通过200 μs后有一个明显的压力上升；添加A_1和F的爆震波速相比纯气相有所增加，而A_2与纯气相相比有所降低。

Zhang等[27]对Al-C2H2-空气混合物爆震开展实验研究，结果表明，Al粉对C2H2-空气爆震的影响趋势与Veyssiere等人[32]的结果类似，即添加小粒径(2 μm)的Al粉所形成的爆震与C2H2-空气的纯气相爆震相比，其胞格尺寸更小，爆震波峰压力与波后燃烧产物压力更高。

1—纯气相爆震, 2—粒径13 μm Al粉混合爆震, 3—粒径13 μm惰性粉末爆震, 4—粒径3.5 μm Al粉混合爆震图4　在t=1和t=2 ms时刻，Al粉浓度为300 g/m3条件下，爆震波压强曲线[34]Fig.4　Profiles of pressure at t=1 and 2 ms for 300 g/m3 aluminum powders

Khasainov等[34]针对Al粉在H2-空气氛围中的爆震情形建立了二维混合爆震波模型，结果表明，对于小粒径(3.5 μm)而言，爆震波速度随Al粉浓度增加而增加，爆震波胞格尺寸随着Al粉浓度的增加而减小，而大粒径(13 μm)反之；文中还将上述两种添加Al的混合爆震与纯气相爆震、添加惰性粉末(粒径13 μm)的爆震进行了对比分析，其爆震波压强曲线如图4所示，结果表明，添加大粒径Al粉的混合爆震波为两个独立的双波结构(图中曲线2)，位于下游的压力峰是由Al粉燃烧导致(曲线2、3对比)，添加小粒径Al粉的混合爆震波为单波结构(曲线4)，小粒径Al粉的燃烧反应增强了气相爆震波的强度(曲线1、4对比)。

2.3　混合爆震应用研究

鉴于纯粉末燃料在爆震管中DDT距离过长而使得目前以纯粉末作为燃料的爆震发动机的工程应用较难实现，可以借鉴固体剂中加入高能固体颗粒的方法，将粉末燃料作为添加剂加入到现有的气体、液体燃料爆震中，结合气体、液体燃料容易起爆，粉末燃料燃烧放热多的优点，以期提高原有爆震发动机动力性能。

Bykovskii等[35-38]以H2为流化气，在圆盘形涡流燃烧室内实现了μm级C粉与空气的爆震燃烧。实验系统结构如图5所示，H2夹带C粉由供应装置进入环形腔进入燃烧室，空气经由环形腔进入燃烧室，在圆盘形燃烧室一端平面上有长条形观察窗，另一端平面有排气管。在排气管内径70 mm和100 mm条件下，得到了速度为1.6-1.8 km/s的连续旋转爆震波，在排气管内径50 mm条件下，得到了频率约为4.8 kHz的径向脉冲爆震波。在后续研究过程中，圆盘涡流燃烧室内径由204 mm增大至500 mm，同时降低H2质量分数(相对于C粉2.8-5%)，增大C粉粒径(10-60 μm)，成功实现了爆震；验证了H2是爆震波产生的关键，气固两相反应占次要地位，但反应放热更多；圆盘涡流燃烧室尺寸越大，C粉驻留时间越长，越容易实现爆震，实验过程中C粉消耗率为106 kg/(s·m2)；实验结果还表明，增大空气入射角有利于实现连续旋转爆震；增大管道截面积，减小排气管直径有利于降低总压损失；随着爆震波数量减少，其对环形腔5、6内的压强影响增大。

图5　燃烧室及空气、C粉供应系统示意图[38]Fig.5　Experimental chamber and system for air and coal supply[38]

Palaszewski等[39]开展了Al基凝胶脉冲爆震发动机单脉冲点火燃烧试验，所采用的Al基凝胶燃料中的Al粉质量分数为4.85-25%，粒径为60-100 nm。实验结果表明，Al粉质量分数为12-18%的Al基凝胶与空气组合即可实现爆震燃烧，无需额外补充O2，与之相对应，煤油凝胶要实现爆震燃烧需要在空气中补充额外O2(气相氛围中O2质量分数不能低于30%)，说明Al基凝胶脉冲爆震发动机对空气中O2含量依赖程度低，发动机工作可靠性高，同时燃料密度的提高可以有效提升发动机总冲。

由上述研究成果可知，对于混合爆震，在适当的气相组分比例及粉末颗粒浓度条件下，添加小粒径粉末的确有促进爆震燃烧的作用，大粒径粉末由于点火延迟时间较长反而可能削弱爆震波强度，作用类似于惰性颗粒；小尺寸圆盘形燃烧室内成功实现气体/粉末燃料的连续旋转爆震，以及采用Al基凝胶的PDE实现单次脉冲点火，说明将混合爆震用于动力系统具有一定可行性。

3　粉末爆震实验装置、测量手段和数值模拟方法

在早期的粉末燃料爆震实验中，由于受到粉末弥散方法的限制，爆震管大都采用竖直形式[8,33]，粉末燃料弥散主要靠爆震管顶端或底端通入流化气来实现。此类爆震管受安装条件制约，长度有限，同时，经弥散后悬浮在管内的粉末燃料受重力影响在竖直方向存在密度梯度，影响弥散均匀性。

对于水平放置的爆震管，其尺寸限制较小，管长可达数十米，如图6所示为Zhang[14]的爆震管实验装置示意图，其采用的粉末弥散方式是先将粉末燃料铺在管底并在粉末燃料上放置一根与爆震管轴线同方向的细管，在细管与粉末燃料相对的细管壁上开有许多小孔(直径0.8 mm)，依靠经由小孔的气流将粉末燃料吹离爆震管底来实现粉末燃料弥散悬浮。浦以康[11]、刘庆明[15-16]等人采用了一种自制的喷粉扬尘系统，在爆震管壁上沿轴线方向等距开孔，每个孔安装一个组独立的喷粉扬尘装置，以此产生均匀弥散的粉末燃料。

图6　Zhang实验装置结构示意图[14]Fig.6　Schematic diagram of the experimental setup used by Zhang[14]

除了采用传统爆震管装置，Veyssiere等[40]曾尝试在如图7的实验装置内开展粉末燃料半球面爆震实验，由于装置尺寸较小(容积0.385 m3)，实验未能得到自维持传播的稳定爆震波。

图7　Veyssiere半球面爆震实验装置结构示意图[40]Fig.7　Schematic diagram of the hemisphere detonation experi-mental setup for hemisphere detonation used by Veyssiere

在实验测量手段方面，对于压力测量，使用高频压力传感器测量爆震波波峰压力，使用烟膜记录爆震波传播过程中胞格结构变化等是目前常用且成熟的压力测量方法。

对于温度测量，目前公开文献中尚未见到可直接用于粉末爆震波流场温度测量的成熟技术，时下较为成熟的相干反斯托克斯拉曼散射[41](Coherent anti-Stokes Raman Scattering, CARS)测温技术适用于稳态静止火焰的测量，且对光路要求较高，只能测量单点温度，不太适用于高速传播的粉末爆震波流场温度测量。而在相关研究领域，已经实现利用光谱仪[42]、光电倍增管[43]或者高速相机[44]等设备采集颗粒燃烧的火焰光谱/光强信号，经过后续算法处理得到颗粒的燃烧温度，并且目前光谱仪测温方法的采样间隔已经可以达到μs量级[45]，因此目前来看利用光谱仪测温设备测量粉末爆震波流场温度具有较高的可行性，但此方法直接采集的是光强/光谱信息，需后处理程序转化为流场温度信息，准度受后处理程序算法影响较大。

对于组分浓度测量，时下得到广泛应用的平面激光诱导荧光(Planar Laser Induced Fluorescence, PLIF)技术主要用于H2及碳氢燃料燃烧过程中中间产物(如CH基、OH基、CO基等)浓度测量，文献[46]证明利用PLIF技术能够得到Al颗粒燃烧过程中的中间产物AlO浓度分布，但PLIF技术受其采样频率的限制，使得目前粉末爆震波流场浓度测量仍然难以实现，燃烧中间产物浓度分布是研究燃烧机理问题的重要信息，浓度测量的技术瓶颈也是目前限制粉末燃料爆震燃烧实验与理论建模研究的关键问题。

在建模和数值模拟方法方面，爆震波诱导区和燃烧区内粉末燃料颗粒群受热、着火、燃烧过程，涉及气固两相之间的质量、动量、能量交换以及化学反应动力学等复杂过程，需要进行适当简化假设。将颗粒当作流体处理的欧拉-欧拉方法(双流体模型)是目前描述粉末颗粒爆震燃烧过程的主要方法[4-7,20-22,47-49]。气固两相间的质量、动量、能量交换过程分别由固相颗粒转气相的质量转化率Jp、颗粒所受气体作用力f以及气固两相间热量传导速率q等源项描述，f、q的表达式大致相同，并无本质区别。模型中假定固相转化为气相后，气相燃烧为瞬时完成的单步反应，未考虑详细反应过程，此时Jp也表示颗粒燃烧速率，根据不同物质的燃烧特征，Jp表达式可分为有限扩散反应模型、有限动力学反应模型以及动力学-扩散混合模型等[50]。燃烧产物统一算作气相组分，未考虑燃烧产物实际凝结过程的影响，如文献[47]中将液态产物Al2O3按气相处理，但对气体压力没有贡献。

上述双流体模型中，颗粒采用的着火判据是参考物质的熔点、沸点，人为设定点火温度。这样的做法优点在于计算简便，但误差较大，且缺乏物理解释。由于颗粒在诱导区、燃烧区内的着火过程对于维持爆震波传播有重要影响，颗粒点火判据需要进一步改进，如参考固体颗粒着火燃烧数值模拟常采用的温度突跃[51]、质量跃迁[52]、氧化层破碎[53]等着火判据。此外，多颗粒燃烧时颗粒间存在合作效应[54]，与单颗粒燃烧相比，表现为着火温度降低，着火延迟时间变短，而上述模型均未考虑颗粒间合作效应。

文献[20-22]表明，在二维模型中，为使爆震波在传播过程中形成胞格结构，需要在初始条件中添加一个密度扰动，而文献[24]的二维模型中因未加初始扰动计算得到的爆震波仍为平面结构。

近几年，由于Conservation Element/ Solution Element(CE/SE)方法在捕获强间断波方面所表现出的良好效果，国内学者尝试将此方法针应用于粉末燃料爆震问题数值模拟[48-49]，验证了该方法的可行性。

除基于欧拉-欧拉方法的双流体模型外，另一种在气固两相流数值模拟的常用方法，将颗粒当做离散相处理的欧拉-拉格朗日方法，适用于颗粒数目不多的条件，而在粉末爆震数值模拟中，颗粒粒径小数目大，且涉及化学反应，若采用欧拉-拉格朗日法则计算量太大，目前公开文献中未见到采用此方法模拟计算粉末爆震。

针对粒径更小的nm级粉末颗粒，目前已有将其当作大分子处理，用于nm级Al粉-空气气固两相混合物的流动燃烧数值模拟[55]，此处理方法也为粉末爆震燃烧数值模拟提供了新的思路。

在混合爆震波模型方面，主要是将粉末爆震与其他燃料爆震模型线性组合，并未考虑两者之间的耦合作用，虽然部分计算结果在传播模式、爆震波速度等宏观现象和参数能够与实验结果有较好的匹配，但涉及具体化学反应过程则人为假设较多，是否与实际反应一致有待验证。

4　结束语

对国内外粉末燃料在气相氛围中爆震燃烧的实验及数值模拟研究进展进行了综述，分析了在空气、O2等氧化性气相氛围以及在H2、CH4等燃料和空气、O2等组成的混合气相氛围中粉末燃料爆震波的传播特性，讨论了粉末爆震波的传播机理。研究结果表明：(1)粉末燃料本身的物质性质、粒径和浓度是影响爆震波速度、稳定性、传播模式、细观结构和胞格尺寸的重要因素；(2)目前的粉末燃料-气相氧化剂爆震系统中，要实现稳定的爆震燃烧需要较大尺寸的爆震管，难以将其直接应用于爆震发动机；(3)圆盘形燃烧室以及Al基凝胶PDE等混合爆震工程实验取得初步成果，证明将粉末燃料应用于爆震动力系统有较好的应用前景。

为实现粉末燃料在爆震发动机中的实际工程应用，需要对悬浮粉末燃料在气相氛围中的爆震燃烧特性开展进一步研究，以实现粉末燃料爆震燃烧高效组织，提高能量利用率，改善爆震发动机性能。因此还有许多工作需要开展：(1)开发出适用于粉末爆震波温度及组分浓度分布的先进测量技术，针对粉末燃料在气相氛围中爆震燃烧波的细观结构开展实验研究，进一步加深对粉末燃料爆震机理的认识，建立准确性更高的粉末爆震波模型；(2)采用恰当的数值计算方法，利用先进的云计算资源，开展高维度的粉末爆震波数值模拟研究；(3)结合粉末爆震机理及现有工程实验的研究成果，开展采用粉末燃料混合爆震的发动机原理样机研究。

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