氢气占比对氢气-煤油-空气旋转爆轰波传播特性的影响

吴明亮， 郑权， 续晗， 翁春生， 白桥栋

(南京理工大学 瞬态物理国家重点实验室， 江苏 南京 210094)

0 引言

爆轰是一种超音速燃烧现象，爆轰燃烧的特征是激波与激波后的反应区耦合。与爆燃燃烧相比，爆轰燃烧具有热力循环效率高、释能密度高、热释放速率快的特点。旋转爆轰发动机(RDE)是一种基于爆轰燃烧的新型发动机，通过在环形燃烧室内形成一个或多个沿周向自持传播的旋转爆轰波(RDW)产生推力。RDE只需单次点火即可持续工作，具有结构紧凑、频率高、工作模式简单等优点。RDE基于火箭式、冲压式和涡轮组合发动机均可实现稳定工作，在航空航天领域具有巨大的应用前景，近年来在国内外备受关注。

RDE的工作模态主要有单波模态、双波或多波同向传播模态、双波或多波对撞模态等。RDE燃烧室的几何结构、喷注结构、进气参数等均对其工作模态具有较大影响。Wolanski根据大量的实验结果在环形燃烧室得到了稳定的旋转爆轰波和不稳定的“驰振爆轰”。George等研究了胞格尺度和燃烧室宽度对爆轰波形成和爆轰波个数的影响，反应物为氢气- 氧气- 氮气的混合物，通过氮气的含量来调节混合物胞格大小，在燃烧室内得到了爆轰波头数1～3的旋转爆轰波。Bohon等进行旋转爆轰波传播模态的实验研究，得到了单波模态、多波同向模态和多波对撞传播模态，分析了双波对撞模态的压力和速度特性。Anand等研究了旋转爆轰燃烧室的不稳定工作特性，在不同的质量流率、几何结构下得到了4种不稳定传播模态。Tsuboi等对氢气- RDE进行数值模拟，研究了不同喷注总压及燃烧室尺寸对RDE推进性能的影响。Jourdaine等通过三维数值模拟，研究了不同构型的喷管和喷注总压对RDE推进性能的影响。Frolov等采用环缝- 喷孔的喷注方案进行了大尺寸氢气- 空气旋转爆轰的实验研究，得到不同空气喷注环缝宽度对爆轰波传播模态及发动机推进性能的影响。Smirnov等对吸气式RDE进行了三维数值模拟，研究了燃烧室尺寸、喷注结构、喷注压力以及氧含量等对爆轰波的起爆过程的影响。

Lin等、刘世杰进行了氢气- 空气的旋转爆轰实验研究，发现随着质量流率的增大，旋转爆轰波的传播模态由单波模态转换到单、双波混合模态，最后转换为双波模态。Xia等在圆盘形RDE中进行氢气- 空气的旋转爆轰实验，研究不同质量流率和当量比下对爆轰波的影响，得到了单波、对称双波、三波、不对称双波模态以及不稳定模态(低频振荡)，并分析了各模态的特点和分布工况范围。Li等通过实验研究了当量比对爆轰波的起爆和传播特性的影响，发现随着当量比的增大，爆轰波的形成时间缩短，且当量比为1时的平均传播速度和频率最大，并确定了爆轰波稳定传播的边界条件。Xie等研究了质量流率、当量比等对氢气- 空气旋转爆轰波传播的影响，分析燃烧室内多种燃烧模式的特点、工作范围及成因。Shao等对旋转爆轰波的多个循环过程进行了数值模拟，分析了旋转爆轰波传播的物理机理、传播模态、流场结构及推进性能。

对于液态燃料的旋转爆轰研究，Hayashi等建立了液态煤油JP-10和空气的两相爆轰模型，并成功得到了两相旋转爆轰流场。徐高等研究了以汽油为燃料、富氧空气为氧化剂的气体- 液体两相旋转爆轰，在考虑液态燃料雾化混合情况下模拟了连续旋转爆轰波的传播过程。Frolov等在大尺寸燃烧室中进行了氢气- 液态丙烷- 空气三组元的连续爆轰实验，在实现稳定自持的氢气- 空气旋转爆轰波的燃烧室中加入液态丙烷，首次通过添加氢气而非富氧条件实现液体丙烷的连续旋转爆轰自持传播。郑权等以汽油为燃料，以富氧空气为氧化剂，开展了液态燃料喷注压力对旋转爆轰波影响的实验研究。Bykovskii等通过向液体航空煤油和空气的非均匀混合物中加入H或CO与H混合气，实现了旋转爆轰波自持传播，成功起爆的工况中氢气的质量分数最低可达8.4%.Kindracki对常温液体煤油和空气混合物的旋转爆轰的起爆和传播进行实验研究，通过向混合物中加入少量氢气得到稳定自持的旋转爆轰波，并研究了液态硝酸异丙酯对煤油爆轰灵敏度的影响。Ma等对氢气与空气旋转爆轰波进行实验研究，分析旋转爆轰波生成到稳定传播、自适应过程和单波- 双波- 单波转换过程等，发现了从点火到形成稳定的旋转爆轰波需要经过爆燃、爆燃转爆轰、爆燃与爆轰并存、强爆轰波与弱爆轰波并存、爆轰波不稳定传播向稳定传播转换和爆轰波稳定传播6个过程。

在以常温煤油和空气为反应物的RDE研究中，液态煤油首先要经过喷注雾化，再受高速气流的剪切力作用二次雾化掺混。然而可燃混气中煤油液滴的大小及分布均匀性无法保持一致，前导激波扫过液滴群后仍会存在液滴未参与反应，导致前导激波与化学反应区产生分离，导致解耦并熄爆。在燃料中加入氢气等活性较高的气态燃料能够增加成功起爆几率，提高爆轰波传播稳定性。本文在常温液态煤油燃料中加入不同占比的氢气。研究了氢气占比和质量流量对旋转爆轰波传播特性的影响，分析了单波和双波模态转化过程，探究了气液分布对旋转爆轰过程的影响，为常温煤油空气RDE的研究提供了理论基础。

1 物理模型与计算方法

1.1 物理模型

传统连续RDE为环形燃烧室，燃烧室上游为氧化剂和燃料入口，下游为爆轰燃烧产物出口。当燃烧室周向长度远大于燃烧室厚度时可忽略其厚度的变化，将燃烧室沿母线展开得到二维旋转爆轰燃烧室模型，如图1所示。模型简化后的计算域为一长0.3 m×宽0.08 m的长方形，径向厚度默认为0.01 m.其下方为氧化剂和燃料入口，上方为爆轰燃烧产物出口，左右两边为周期性边界。如图1下方虚线框中所示，壁面和预混气进气口均匀交替分布在下边界上，其中进气口面积占下边界总面积的66%.同时30个煤油液体燃料喷口均匀分布在下边界上模拟喷嘴喷注雾化过程。

图1 二维计算域示意图Fig.1 Two-dimensional computational domain

1.2 数值方法

本文采用商业计算流体力学(CFD)软件Ansys Fluent，以常温液态煤油和气态氢气为燃料，纯净空气为氧化剂。基于理想气体假设，采用密度基求解二维非稳态Navier-Stokes(N-S)方程，湍流模型采用-(为湍动能，为比耗散率)剪切应力运输(SST)两方程湍流模型，采用平流上游分裂法进行分解物理通量。对于液态煤油的喷注、雾化过程采用DPM离散模型进行模拟。煤油液滴的初始粒径为30 μm，沿轴方向初始喷射速度为60 m/s，喷射角度为60°.

氢气和煤油的化学反应选择H/O和CH/O两步总包反应，燃料的反应速率常数采用Arrhenius公式计算，即

=exp(-)，

(1)

式中：为指前因子；为温度；为温度指数，=0；为活化能；为气体常数。各个反应参数如表1所示。

表1 化学反应及参数Tab.1 Chemical reaction and parameters

1.3 初始条件和边界条件

如图1所示，初始时刻在整个计算域中填充空气，在计算域左下角0 m≤≤0.005 m、0 m≤≤0.02 m设置压力为2 MPa、温度为2 000 K的高温高压点火区域。初始点火后燃烧室内燃料与氧化剂尚未填充，为了能够形成连续传播的爆轰波，在计算域左下角0 m≤≤0.1 m、0 m≤≤0.02 m的预填充区域内填充部分氢气和煤油蒸汽的预混气体，其质量分数由入口边界燃料与氧化剂质量分数确定，当量比始终为1.

在图1所示计算域中，左右边界为周期性边界，为控制液相和气相的燃料与氧化剂的当量比始终为1，气相工质为空气和氢气预混气，采用质量流量入口，总温300 K，入口气体压力为101 325 Pa.下边界除进气入口外均为绝热、无滑移固壁边界。上边界为压力出口边界，分两种情况：当出口为超声速时，所有守恒变量由内部流场外推得到；当出口为亚声速时，边界点压力等于外界背压，而其他守恒变量由内部流场外推得到，外界背压为0.1 MPa.

1.4 模型验证

当入口氢气和空气的混合气的质量流量=1 kg/s时，以氢气和液体煤油作为燃料，总温300 K，其中燃料中氢气质量分数=18.9%。考虑到计算精度和计算成本的双重因素，对网格无关性及时间步长无关性进行验证。图2(a)为网格尺寸Δ分别为0.2 mm、0.5 mm和1 mm时，=280 μs时刻燃烧室内=0.008 m处压力随轴方向分布图。图2(b)为时间步长Δ分别为0.1 μs、0.05 μs和0.2 μs时，=400 μs时刻燃烧室内=0.008 m处压力随轴方向分布图。结果表明：当Δ=0.5 mm、Δ=0.1 μs时可满足本文计算精度要求。因此选择网格尺寸Δ=0.5 mm，网格总数9.6×10，并选取固定时间步长Δ=0.1 μs.

图2 不同网格尺寸及时间步长下燃烧室入口压力分布图Fig.2 Pressure distribution at combustor inlet under different Δx and Δt

表2给出了煤油燃料为气态时通过数值模拟计算出来的计算值和同等条件下通过CEA软件计算出来的理论值对比，其中为爆轰波波头压力，为爆轰波传播速度。由表2中数据可知，通过数值模拟计算所得到的数据与理论值偏差较小，因此本文求解方法能够较准确地描述爆轰波传播过程。

2 结果与分析

2.1 不同工况下爆轰波传播特性

通过改变质量流量和燃料中氢气质量分数，分析燃烧室内旋转爆轰波的传播特性，不同工况下旋转爆轰波传播模态分布如图3所示。由图3 可见：除了由于过低无法成功起爆的工况外，成功起爆的旋转爆轰波共有直接形成单波模态(SW)、双波对撞转单波模态和双波对撞转同向双波模态 3种传播模态；燃料中氢气的含量对旋转爆轰波传播模态影响较大，当燃料中氢气的质量分数≤5%时燃烧室内无法形成稳定自持的旋转爆轰波；当5%<≤35%时，在成功起爆工况下均为单波模态。随着燃料中氢气含量增多，在燃烧室内起爆初期阶段不再只形成一个爆轰波；在爆轰波传播第1个周期结束时爆轰波与初始点火形成的反向弱激波相撞，激波透射后继续传播在缓燃区附近诱导生成局部热点，局部热点诱导新的激波生成并最终增强为新的爆轰波；燃烧室内爆轰波经过一系列对撞和演化过程后会形成两种稳定的传播模态，即稳定单波模态和稳定同向双波模态；当燃料中氢气含量较高时更容易形成双波模态，当氢气含量相同时，总质量流量高的工况下更容易形成双波模态。

表2 数值模拟计算值与Chapmam & Jouguet 理论值的结果对比Tab.2 Comparison of numerically simulated results and Chapmam & Jouguet theoretical values

图3 RDW模态分布图Fig.3 Mode distribution of RDW

图4所示为成功起爆的工况下爆轰波传播速度与速度亏损的分布，其中理论Chapmam & Jouguet速度通过NASA CEA软件获得。

由图4(a)和图4(b)可知：在同一质量流量下，随着氢气组分占比增加，在爆轰波模态不发生转变的情况下波速整体呈上升趋势，在单波和双波模态过渡区存在由于模态转换产生的波速突降。单一模态下保持相同，质量流量增加爆轰波传播速度随之升高；影响爆轰波传播速度的因素主要包括氢气占比、质量流量和传播模态等，当=1.0 kg/s时，成功起爆进入稳定阶段后，旋转爆轰波均为稳定单波模态传播。随着燃料中氢气占比的增加，爆轰波传播速度整体呈上升趋势，速度亏损逐渐降低。导致这种趋势的原因主要有以下两个方面：

1)液态燃料与氧化剂为非预混喷注，液态燃料需要经过喷注、雾化、蒸发和剥离等过程，且燃料与氧化剂的掺混均匀性直接影响爆轰波传播特性，因此爆轰波传播速度低于理论速度；

2)当燃料中氢气质量分数较低时，参与爆轰燃烧的燃料主要为液态煤油，氢气燃料占比升高参与爆轰燃烧迅速释放大量热量，加速液态燃料雾化、蒸发和剥离过程，此阶段氢气燃料的加入可迅速提升爆轰波传播速度；当燃料中氢气质量分数较高时，参与爆轰燃烧主要为活性较高的氢气，此阶段氢气燃料质量分数的波动对爆轰波传播特性影响较小；当=1.4 kg/s、1.7 kg/s和2.0 kg/s时，较低时爆轰波均为单波传播模态，其传播速度变化趋势与=1.0 kg/s工况类似。

图4 不同工况下RDW速度及速度亏损分布Fig.4 Propagation velocity and velocity deficit distribution of RDW under different working conditions

随着氢气占比升高，爆轰波会由单波模态过度为双波同向模态，由于模态转换导致了爆轰波传播速度突降和速度亏损升高。不同质量流量下模态转换的氢气占比不同，随着质量流量升高，模态转换区域的氢气占比逐渐降低，双波同向模态下提高爆轰波传播速度仍呈上升趋势。常温煤油与纯净空气无法成功起爆，通过向液态燃料中添加氢气可提高组分活性，获得稳定自持传播的旋转爆轰波，进一步提高燃料中氢气质量分数，可促使旋转爆轰波由单波模态向双波同向模态转变，模态过度区内旋转爆轰波传播速度存在突降。

2.2 爆轰波模态转变过程

在本文所计算的成功起爆工况中旋转爆轰波的传播模态有3种，即单波模态、双波对撞模态转变为单波模态和双波对撞模态转变为双波同向模态。

当=1 kg/s、=73.9%时燃烧室内初始点火后不再只生成一个爆轰波，其具体演化过程如图5所示。由图5可见：初始点火后，燃烧室内形成一个沿轴正方向传播的爆轰波1(DW1)和一个沿反向传播的反向激波(RSW)；在=140 μs时，RSW与DW1相遇并碰撞，透射后继续传播，其传播方向与初始点火形成的爆轰波传播方向相反；由于缓燃区与新鲜燃料填充区交界处温度较高且新鲜工质填充充分，在=195 μs时经反向激波诱导形成一个局部热点1. 能量在该局部热点处向外传播，形成一个沿轴负方向传播的爆轰波2(DW2)和一个沿轴正方向传播激波3(SW3)；在=235 μs时刻，DW1与DW2相撞，分别衰减为激波1(SW1)和激波2(SW2)。

图5 初始点火至爆轰波第1次对撞温度(左)和压力(右)分布云图Fig.5 Temperature (left) and pressure (right) contours from initial ignition to the first collision of RDWs

如图6所示，在最初的旋转爆轰波对撞过后，SW1衰减消失，SW2紧随SW3沿轴正方向继续传播。双波对撞产生的瞬时高压会导致对撞点附近的短时壅塞，影响了新鲜燃料填充过程，而SW3前区域新鲜燃料填充未受影响，SW3沿轴正方向传播形成强爆轰波(SDW)，SW2在SDW波后区域诱导形成局部热点2.由于该热点处于SDW波后区域，可燃混气填充不充分，仅形成一个沿轴正方向传播且强度较小的弱爆轰波(WDW)，同时形成一个沿轴负方向传播的激波4(SW4)。SW4透射进入SDW后与WDW对撞，WDW与SW4对撞后衰减为激波5(SW5)，且受SW4传播的影响，SW5前新鲜工质被SW4耗尽，SW5最终逐渐衰减消失。最后燃烧室内只有一个沿轴正方向稳定传播的爆轰波。

图6 爆轰波第1次对撞至形成稳定单波模态演化过程温度分布云图Fig.6 Temperature contour in the evolutionary process from the first collision of RDWs to the formation of stable single wave mode

如图6(j)所示为=3 000 μs时该工况下燃烧室内爆轰波稳定后的温度分布图，此时燃烧室只有一个稳定传播的爆轰波，爆轰波高度约4 cm. 图7(a)为对撞转单波模态燃烧室内=0.1 m、=0 m处压力随时间变化图，图7(b)为对撞阶段监测点压力曲线放大图。由图7可知，该工况下双波对撞模态演化过程所需时间约为500 μs. 且该工况下双波对撞过程较强爆轰波压力峰值最高为3.25 MPa(DW1)。图7(b)中400～500 μs的两处压力尖峰分别为SW4和SW5，压力峰值分别为0.84 MPa和0.68 MPa，在此工况下该强度的激波已无法演化出新的爆轰波。当燃烧室内只有一个爆轰波传播后，前期爆轰波压力峰值稍有波动，经过一段时间的自我调节过程爆轰波逐渐稳定，最后以稳定单波模态传播。图8为=1 kg/s、=18.9%时爆轰波未经过碰撞过程直接形成单波模态监测点的压力图，与图7相比两爆轰波峰值压力之间没有如图7(b)所标注的压力尖峰。

图7 对撞转单波模态形成过程监测点压力Fig.7 Pressure at the monitoring point in the formation process of single wave mode during double wave collision

图8 直接形成单波模态过程监测点压力Fig.8 Pressure at the monitoring point in the formation process of single wave mode

当=1.4 kg/s、=73.9%时燃烧室内爆轰波传播模态从双波对撞模态转变为双波同向传播模态。从初始点火到燃烧室内旋转爆轰波第1次对撞的演化过程与图6爆轰波演化过程基本相同。爆轰波从第1次碰撞到形成稳定同向双波模态的具体演化过程如图9所示，爆轰波经过第1次碰撞后透射为激波6(SW6)和激波7(SW7)，SW6增强为爆轰波3(DW3)，而激波SW7在=0.2 m处诱导形成一热点3.能量在热点处向两边扩散，在=360 μs时形成爆轰波4(DW4)和爆轰波5(DW5)。同时激波SW8(发展过程与SW3类似)与DW3碰撞并湮灭，DW3衰减为激波9(SW9)继续传播并与DW5相撞并透射。DW3和SW8的碰撞导致该处燃料与氧化剂被消耗，DW5传播至该处时由于新鲜工质填充不足而衰减为激波10(SW10)，最终消失。

在=400 μs时只剩一个爆轰波DW4在燃烧室内传播。然而当=470 μs时，SW9在传播一段时间后由于新鲜工质填充充足在缓燃区附近诱导该处新鲜工质发生反应，并在=510 μs增强演化为爆轰波6(DW6)，如图9(g)所示。经过一段时间发展，燃烧室内形成两个沿轴负方向传播的旋转爆轰波。图9(h)为=2 000 μs时燃烧室内温度分布图，在稳定双波模态爆轰波流场中，两爆轰波强度相近，爆轰波高度约为2 cm，仅有稳定单波模态下爆轰波高度的一半，两爆轰波之间间距约为燃烧室长度的一半。

图10为点=0.1 m、=0 m处压力随时间变化图，结合图9的温度云图可知，=510 μs时燃烧室内已经形成两个同向传播的爆轰波。从图10中可以看出，初始时两爆轰波压力峰值相差较大，DW6压力峰值为4 MPa左右，而DW4压力峰值只有1 MPa左右。由于DW6强度更高且爆轰波传播速度较DW4更快，随着时间的推移，两爆轰波之间的距离越来越接近燃烧室长度的一半。Liu等对这种现象进行了分析，并将这种现象称为自我调节过程。当旋转爆轰波处于自我调节阶段时，强爆轰波与弱爆轰波在燃烧室内并存，经过一段时间两爆轰波的压力峰值和传播速度基本相近并以稳定双波同向模态传播。

图9 稳定双波模态形成过程温度分布云图Fig.9 Temperature contour in the formation process of stable double wave mode

图10 双波模态形成过程监测点压力Fig.10 Pressure at the monitoring point in the formation process of double wave mode

2.3 两相爆轰中气液不均匀现象

在气体与液体两相旋转爆轰过程中，气相与液相分布是否均匀是影响爆轰波传播特性的重要因素之一。图11(a)为稳定双波模态下燃烧室内当量比分布情况，图11(b)、图11(c)和图11(d)分别为同一时刻下温度分布云图、煤油蒸汽质量分数和液滴分布云图和氢气质量分数分布云图。根据当量比、组分和温度分布情况，将燃烧室分为4个区域，分别为区域1(缓燃区)、区域2(富燃区)、区域3(富氧区)和区域4(填充区)。在计算当量比时考虑了液相燃料对当量比的影响，计算公式为

(2)

式中：为液相煤油燃料在气相中的含量(kg/m)；、和分别为煤油蒸汽、蒸气和氧气的质量分数；为当地气相密度。由图11可知，缓燃区相比填充区温度较高，煤油液滴在该区域内已完全蒸发为气态。氢气和煤油蒸汽在该区域内主要以缓燃的方式反应且氢气基本已经完全反应，煤油液滴群从填充区内进入缓燃区后吸收热量蒸发为煤油蒸汽，部分煤油参与缓燃，剩余煤油仍以煤油蒸汽的形式存在于缓燃区中。缓燃区内当量比都处于1以下，未反应的煤油蒸汽在爆轰波扫过时通过爆轰燃烧的方式继续燃烧。由于缓燃区当量比在1以下，爆轰波扫过该区域产生的爆轰产物中会有氧气剩余，因此在爆轰波后爆轰产物中形成富氧区。由于该区域内燃料已完全消耗而氧气仍有剩余，因此当量比基本为0.

图11 稳定双波模态RDWFig.11 Stable double wave RDW

填充区为入口燃料和氧化剂进入燃烧室所形成的三角形填充区域，该区域内温度较低，只有小部分煤油蒸发，大部分的煤油仍旧以液滴的形式存在。由于煤油液滴均聚集在喷口附近，因此填充区内当量比分布极不均匀，但该域区内整体当量比仍大于1. 少部分新鲜工质在缓燃区和填充区的接触间断处发生缓燃提前燃烧，大部分工质参与爆轰燃烧。由于该区域内当量比整体大于1，部分未燃尽的煤油与氢气和高温爆轰产物一起在爆轰波后形成一富燃区。 由于富燃区中的爆轰产物含有部分为未完全反应的氢气和煤油蒸汽，且氧气在爆轰波波头处被完全消耗，因此富燃区当量比大于1.

图12(a)、图12(b)、图12(c)、图12(d)分别为稳定单波模态下燃烧室内当量比、温度、煤油蒸汽与液滴和氢气分布云图。与稳定双波模态下类似，单波模态下燃烧室内流场仍然可以分为缓燃区、富燃区、富氧区和填充区这4个区域，且在这4个区域内流场分布情况与稳定双波模态下基本相同。单波模态与双波模态流场分布情况不同之处主要集中在缓燃区中。单波模态下缓燃区内0.15 m≤≤0.3 m区域与双波模态下缓燃区内流场结构基本相同。

图12 稳定单波模态RDWFig.12 Stable single wave RDW

缓燃区和填充区的燃料和氧化剂混合不均匀是造成富燃区和富氧区出现的主要原因。导致燃料和氧化剂不均匀分布的原因主要有两个：

1)图13(a)、图13(b)分别为图12(a)和图11(a)蓝色线框标注处新鲜工质填充区当量比分布局部放大图，图中标注≥1处为喷口出口煤油液滴堆积区域，由于煤油液滴需经过喷注、雾化、蒸发、剥离等过程，所以在距离喷注口较近区域内无法即刻分布均匀。煤油液滴的堆积导致该处当量比均大于等于1，而在其他没有煤油液滴堆积的区域当量比均小于1，从而导致燃料与氧化剂分布不均匀。

2)气相与液相煤油喷射速度之间存在一定差异，虽然气流和液滴之间相互作用会有利于气相和液相的混合，但仍然无法在较短距离内完成充分掺混，喷注、雾化、掺混过程需要一定发展距离。爆轰波传播过程中由于缓燃区内整体当量比小于1，因为会在爆轰波后产物区形成富氧区。而填充区中虽然当量比分布相差较大，但整体当量比大于1，从而导致爆轰产物中剩余未燃烧的煤油与氢气燃料形成富燃区。

图13 当量比分布局部放大图Fig.13 Partially enlarged view of Er

3 结论

本文对氢气- 煤油- 空气连续RDE的内流场进行了二维数值模拟，保持当量比为1，分析质量流量和氢气占比对旋转爆轰波传播特性以及模态的影响，探究气体- 液体两相爆轰中的气液不均匀现象。得到主要结论如下：

1)在本文所计算的工况中，质量流量和燃料中氢气质量分数均对爆轰波传播模态存在影响。同一质量流量下增加氢气质量分数，在传播模态不发生转变的前提下波速整体呈上升趋势；提高燃料中氢气质量分数，可促使旋转爆轰波由单波模态向双波模态转变，模态过渡区存在由于模态转换产生的波速突降。单一传播模态下，保持氢气质量分数不变，质量流量增加爆轰波传播速度随之升高。随着质量流量的增加，由单波模态向双波同向模态过度所需的氢气质量分数逐渐降低。

2)当氢气占比≥35%时，初始点火起爆后燃烧室内会形成正向爆轰波和反向激波；爆轰波前新鲜燃料填充区上层存在缓燃区，激波在缓燃区附近易诱导形成局部热点从而导致新的爆轰波形成，爆轰波经过一系列碰撞、透射、湮灭和再增强过程，最终在燃烧室内形成一个或两个同向传播的旋转爆轰波；单波模态或双波模态形成初始阶段并不稳定，经过一段时间的自我调节过程，最终在燃烧室内形成单个或两个同向传播的爆轰波。

3)燃烧室内旋转爆轰波稳定传播时内流场可以分为缓燃区、富燃区、富氧区和填充区这4个区域。由于缓燃区内当量比整体小于1，生成的爆轰产物中未完全燃烧的氧化剂导致富氧区的形成。而填充区内当量比整体大于1，生成的爆轰产物中未完全燃烧的燃料导致富燃区的形成，缓燃区附近局部热点的产生是新爆轰波形成原因之一。