随着航空航天与宇宙探索事业的发展,未来高性能飞行器迫切需要先进的动力推进装置,脉冲爆震发动机基于爆轰燃烧,具有热效率高、推重比大、适用性广等优点,是未来航空航天领域理想动力装置之一。缓燃向爆震转捩(Deflagration to Detonation Transition,简称DDT)是脉冲爆震发动机研究领域的重点研究内容,有效减小起爆距离和缩短起爆时间是提高脉冲爆震发动机性能的重要举措。本文在充分调研国内外DDT研究动态的基础上,针对管道截面变化对DDT过程的影响问题,采用自主设计的变截面爆轰管道装置,利用压力传感器和离子探针系统对截面突缩管道内DDT特性进行实验研究,获得了管道截面突缩结构对爆轰波起爆及传播特性的影响;并对截面突缩及突扩管道内DDT过程进行二维数值模拟,分析爆轰波起爆过程中火焰及压力的传播行为以及DDT过程的影响因素,主要研究内容和结论如下:(1)设计了三种不同引爆管长度的截面突缩管道装置,建立了截面突缩爆轰实验台,实验研究了截面突缩管道及直管内甲烷/氧气爆轰波起爆及传播特性,实验结果表明:当截面突缩比为5:3、引爆管长度为30cm时,截面突缩对DDT过程有明显的加速作用,初始压力为20和15kPa下,截面突缩管道起爆距离比在直管内分别缩短22%和19%,但截面突缩对稳定爆轰波状态基本没有影响。随着初始压力的升高,DDT过程逐渐加快,管道内各处峰值压力逐渐升高,但是初始压力对稳定爆轰速度影响不大。采用实验和数值模拟相结合的方法研究了截面突缩管道内引爆管长度对爆轰波起爆和传播特性的影响,结果表明:引爆管长度从30~50cm时,起爆距离先缩短后增加,稳定爆轰波峰值压力随着引爆管长度的增加而增加。(2)数值模拟研究了截面突缩、突扩管道内甲烷/氧气DDT过程中火焰及压力波发展情况,并对管道突变的结构参数对DDT过程的影响进行分析。结果表明:截面突缩管道内,压力波传播到变截面处,由于截面的阻碍形成回传压力波,受到回传压力波的影响,火焰传播速度暂时降低,但火焰从引爆管进入爆轰管后,速度迅速回升,逐渐以郁金香型火焰形态传播,直至形成爆轰;引爆管内径40~60mm即截面突扩比4:3到5:3再到2:1时,起爆距离先缩短后增加;引爆管和爆轰管尺寸相同时,起爆距离和火焰在截面突缩处延迟时间均随着收缩角度的增加而减小。截面突扩管道内,火焰在截面变化处不会受到回传压力波的阻碍,反而会由于突然进入大管径管道而短暂的加速,在引爆管内径合适时,火焰在引爆管内就已形成郁金香型火焰,火焰进入爆轰管后,郁金香火焰遭到破坏,截面突扩程度(截面突扩比、扩张角度)较小时,可在爆轰管内重新形成郁金香火焰,最终形成爆轰;起爆距离和时间随着截面突扩比的增加而减小;引爆管和爆轰管尺寸相同时,扩张角度越大,起爆距离和时间越短。(3)通过不同变截面管道内DDT过程火焰传播速度的对比可以得出:截面突缩管道内,合适的引爆管尺寸可大幅度缩短起爆距离,反之会阻碍爆轰波的形成;截面突扩管道内火焰的加速起爆过程主要受引爆管尺寸的影响,受截面变化的影响较小。对于爆轰波经过截面突变段的传播特性,截面突缩比较小时,爆轰波传播到截面突缩处,部分受到截面阻碍作用的爆轰波形成高温高压区,并向管道中心处移动,另一部分爆轰波可直接传入小管径管道,保持原有状态继续传播。截面突扩比较小时,爆轰波经过截面突扩段不会解耦,但爆轰波形态会由平面波转为球面波,最终再次形成平面波传播。