爆轰发动机作为未来先进推进技术的代表，因其热循环效率高、热释放速率快而备受关注。实现爆轰发动机应用的核心挑战之一，在于如何高效、可靠地起爆爆轰波。直接起爆所需能量极高，对设备要求苛刻。为此，研究者们提出了多种降低起爆能量的方法，其中，利用多个“热点”协同起爆被认为是一种极具潜力的技术途径。

近日，北京大学力学与工程科学推进与能源研究团队在流体力学领域旗舰期刊Journal of Fluid Mechanics上发表了题为“Detonation initiation induced by dual hot spots: a computational study”的学术论文。该研究首次系统揭示了双热点诱导爆轰起爆的瞬态行为与内在物理机制，并创新性地提出了一个预测三波点运动轨迹的简化理论模型，成功解释了双热点起爆机制。

论文截图

研究发现，通过改变热点压力和间距，双热点起爆会呈现出五种截然不同的模式：模式一（起爆失败），热点压力过低或间距过大时，波系碰撞无法触发局部爆炸；模式二（起爆失败），波系碰撞成功诱发了瞬态的纵向和横向爆轰波，但它们在传播过程中因衍射效应而双双淬熄；模式三（起爆成功），热点压力适度增加，瞬态爆轰波成功克服衍射抑制，实现持续传播与发展；模式四（起爆成功），热点压力足够高，单个热点自身即可直接起爆爆轰波；模式五（起爆成功）是一种特殊模式，纵向爆轰波淬熄，但横向爆轰波传播至对称轴发生碰撞，成功起爆。部分起爆模式见下图。

部分起爆模式

为深入理解衍射效应的作用，本研究的理论创新在于提出了一个简化模型，用于预测由波系碰撞发生的三波点（纵向爆轰波、横向爆轰波和圆柱激波的交汇点）的运动轨迹。研究发现，三波点轨迹的曲率是决定起爆成败的关键参数：当曲率较大时，纵向爆轰波经历强烈的衍射，易于淬熄（对应模式二）；同时，需要更强的圆柱激波来压缩未燃混合物，以维持横向爆轰波的传播。当曲率较小时，衍射效应微弱，纵向爆轰波能够稳定发展（对应模式三），横向爆轰波也更容易维持。该理论模型预测的三波点轨迹与模拟结果高度吻合（见下图），从而首次实现了对复杂起爆过程中波系演化规律的定量刻画与机理阐释。

三波点轨迹模型

相关成果发表论文如下：

[1] Jie Sun, Dehai Yu, Pengfei Yang, Yiqing Wang, Shengkai Wang, Zheng Chen*, Detonation initiation induced by dual hot spots: a computational study. Journal of Fluid Mechanics, 1010 (2025) A60.DOI: https://doi.org/10.1017/jfm.2025.351

[2] Jie Sun, Pengfei Yang, Yiqing Wang, Zheng Chen*, Numerical study on detonation initiation by multiple hot spots. Proceedings of the Combustion Institute, 40 (2024) 105191. DOI:  https://doi.org/10.1016/j.proci.2024.105191

第一作者介绍：

孙杰，北京大学工2024届博士生，目前为新加坡国立大学博士后。主要从事爆轰燃烧基础研究，包括气相/凝聚相爆轰数值模拟程序开发、爆轰波起爆和传播过程研究、斜爆轰波驻定和调控研究等。2025年获得中国工程热物理学会“吴仲华优秀博士学位论文奖”。