title: Experimental and theoretical analysis of inlet effects and wave interactions in rotating detonation combustors
Creators: name: Barnouin, Provence
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2025
Subjects: subject: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
subject: rotating detonation
subject: combustion
subject: injector design
subject: counter-rotating
subject: wave interaction
subject: non-idealities

description: Integrating rotating detonation combustors (RDCs) into practical propulsion systems presents a promising challenge. Recently, the design of a high-performing RDC led to the demonstration of the first fully integrated rotating detonation engine gas turbine. The primary goal of RDC-turbine integration is to achieve positive pressure gain through the main combustor. However, achieving measurable pressure gain remains challenging, as injector pressure losses often negate the benefits of the detonation wave. Discrepancies between simulations and experiments in predicting detonation wave speed and pressure suggest that the complexity of RDC injection dynamics are not fully modeled, or that other key mechanism remain poorly understood. The injector plays a pivotal role, as it must rapidly supply and mix reactants—defining the pre-gas state between wave passages—while preventing backflow from the high-pressure region behind the detonation wave. This work develops a low-order model, informed by experimental data, to evaluate how the pre-gas state affects detonation performance. Key processes, including buffer region formation, parasitic combustion, and incomplete heat release, were found to significantly impact performance. The model indicates that 3% buffer region, 10% parasitic combustion, and 10% heat release losses, can reduce detonation velocity by 15% and peak pressure by 75%, closely aligning with experimental observations. To promote a favorable pre-gas state and enable strong, stable detonation wave propagation, previous injector designs have often allowed significant pressure losses. This comes at the cost of overall pressure gain. To address this trade-off, a high-diodicity air injector was designed and implemented in a non-premixed RDC. The diode stabilized the RDC operating range, reduced non-detonation events, and extended the range of stronger wave modes. However, the diode did not necessarily improve overall performance and produced modes, characterized by slower, weaker waves. This was likely due to poor reactant mixing and unfavorable local equivalence ratio distribution. Poorly designed injectors can significantly decrease RDC performance by limiting reactant mixing, reducing combustion efficiency, or promoting non-canonical wave modes. While counter-rotating waves are commonly observed, their dynamics and interactions remain poorly understood. Collisions between these waves exhibit significant non-linear behavior, influenced by the relative strength of each wave. A one-dimensional gas dynamic analysis suggests that when two counter-rotating waves propagate at equal speeds, they behave like shock waves moving through combustion products. However, as one wave becomes progressively stronger, the model underestimates collision pressures, indicating increased coupling between the wave and heat release. As this coupling increases the system transitions gradually into a single propagating detonation wave. The reactant injector plays a critical role in RDC operation and performance by influencing the pre-gas state and the resulting combustion modes. To enable the effective integration of RDCs into practical systems, optimized injector designs are necessary, likely in the form of a tapered, low-loss configuration with a diodicity greater than one.
description: Die Integration von Rotationsdetonationsbrennkammern (RDCs) in praktische Antriebssysteme stellt eine vielversprechende Herausforderung dar. Kürzlich führte die Entwicklung einer leistungsstarken RDC zur Demonstration der ersten vollständig integrierten Rotationsdetonations-Gasturbine [1]. Das Hauptziel der RDC-Turbinen-Integration ist die Erzielung eines positiven Druckgewinns durch die Hauptbrennkammer. Dies bleibt jedoch schwierig, da Druckverluste an den Injektoren häufig die Vorteile der Detonationswelle aufheben [2]. Diskrepanzen zwischen Simulationen und Experimenten bei der Vorhersage von Detonationswellengeschwindigkeit und Druck deuten darauf hin, dass die Komplexität der RDC-Injektionsdynamik nicht vollständig modelliert ist oder dass andere wichtige Mechanismen noch unzureichend verstanden sind. Der Injektor spielt eine entscheidende Rolle, da er die Reaktanten schnell bereitstellen und durchmischen muss—wodurch der Zustand des Frischgases zwischen den Wellendurchläufen definiert wird—während gleichzeitig ein Rückfluss aus dem Hochdruckbereich hinter der Detonationswelle verhindert werden muss. In dieser Arbeit wird ein niederdimensionales Modell entwickelt, das auf experimentellen Daten basiert und untersucht, wie der Zustand des Frischgases die Detonationsleistung beeinflusst. Zentrale Prozesse wie die Bildung einer Pufferzone, parasitäre Verbrennung und unvollständige Wärmefreisetzung haben sich als wesentliche Einflussfaktoren erwiesen. Das Modell zeigt, dass ein 3% Pufferbereich, 10% parasitäre Verbrennung und 10% Wärmefreisetzungsverluste die Detonationsgeschwindigkeit um 15% und den Spitzendruck um 75% reduzieren können—Ergebnisse, die gut mit experimentellen Beobachtungen übereinstimmen. Um einen günstigen Frischgaszustand zu fördern und eine starke, stabile Detonationswellenpropagation zu ermöglichen, haben frühere Injektordesigns oft erhebliche Druckverluste in Kauf genommen. Dies geht jedoch zulasten des gesamten Druckgewinns. Um diesen Zielkonflikt zu lösen, wurde ein Hoch-Diodizitäts-Luftinjektor entwickelt und in einer nichtvorgemischten RDC implementiert. Der Diode-Injektor stabilisierte den RDC-Betriebsbereich, verringerte nicht-detonative Ereignisse und erweiterte den Bereich stärkerer Wellenmodi. Allerdings verbesserte die Diode nicht unbedingt die Gesamtleistung und führte zu Modi mit langsameren, schwächeren Wellen. Dies war wahrscheinlich auf eine schlechte Durchmischung der Reaktanten und eine ungünstige lokale Äquivalenzverteilung zurückzuführen. Schlecht ausgelegte Injektoren können die RDC-Leistung erheblich verringern, indem sie die Reaktantenmischung einschränken, die Verbrennungseffizienz reduzieren oder nicht-kanonische Wellenmodi begünstigen. Während gegenläufig rotierende Wellen häufig beobachtet werden, sind ihre Dynamik undWechselwirkungen noch unzureichend verstanden. Kollisionen zwischen diesen Wellen zeigen signifikantes nichtlineares Verhalten, das von der relativen Stärke jeder beeinflusst wird. Eine eindimensionale gasdynamische Analyse legt nahe, dass zwei gegenläufig rotierende Wellen, die sich mit gleicher Geschwindigkeit ausbreiten, wie Stoßwellen agieren, die sich durch Verbrennungsprodukte bewegen. Wird jedoch eine Welle zunehmend stärker, unterschätzt das Modell die Kollisionsdrücke, was auf eine verstärkte Kopplung zwischen Welle und Wärmefreisetzung hinweist. Mit zunehmender Kopplung geht das System allmählich in eine einzelne propagierende Detonationswelle über. Der Reaktanteninjektor spielt eine zentrale Rolle für den Betrieb und die Leistung einer RDC, da er den Frischgaszustand und die daraus resultierenden Verbrennungsmodi beeinflusst. Um eine effektive Integration von RDCs in praktische Systeme zu ermöglichen, sind optimierte Injektordesigns erforderlich—vermutlich in Form einer konischen, verlustarmen Konfiguration mit einer Diodizität größer als eins.