氫燃料緩燃向爆震轉(zhuǎn)捩過程中波與火焰的匹配特性*

張彭崗，何小民

(1.江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013;2.南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇 南京210016)

氫氣是用于爆震研究最多也是最易起爆的一種燃料，實(shí)驗(yàn)研究氫燃料的爆震主要是在爆震管和氫發(fā)動(dòng)機(jī)中進(jìn)行。爆震管主要以脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)為研究背景，希望盡可能降低緩燃向爆震轉(zhuǎn)捩(DDT)的時(shí)間和距離以獲得爆震。而氫發(fā)動(dòng)機(jī)中為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，則要盡可能避免產(chǎn)生爆震。但從爆震的形成機(jī)理上看，兩者有相似之處，都存在DDT 過程。在爆震管內(nèi)進(jìn)行波和火焰相互作用的研究大都以DDT 整個(gè)過程為研究對(duì)象。P.A.Urtiew 等［1］利用紋影技術(shù)對(duì)DDT 過程作了詳細(xì)觀察，認(rèn)為加速運(yùn)動(dòng)的層流火焰前產(chǎn)生的壓縮波合并形成激波;激波誘導(dǎo)氣體二次運(yùn)動(dòng)使層流火焰轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧骰鹧?湍流火焰區(qū)內(nèi)的某處產(chǎn)生爆震。文獻(xiàn)［2］中利用激光誘導(dǎo)熒光(PLIF)用于自由基(如OH)的熒光成像技術(shù)討論了波與火焰速度之間的關(guān)系，結(jié)果表明火焰和壓縮波之間的距離先增大后減小;從過爆衰減到C-J爆震模式的階段中，波與火焰的速度交替變化，最后激波始終處于火焰前面。T.R.Meyer 等［3］研究發(fā)現(xiàn)爆震中心出現(xiàn)在壁面和促進(jìn)擾流的彈簧上，足夠強(qiáng)的微爆炸或多個(gè)爆炸的相互作用通常會(huì)導(dǎo)致DDT 的發(fā)生。氫發(fā)動(dòng)機(jī)爆震燃燒的研究［4-7］更多的關(guān)注于爆震信號(hào)診斷、爆震控制的方法上，以及氫發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件對(duì)爆震產(chǎn)生的影響等，但對(duì)爆震形成的內(nèi)在機(jī)理研究不多。而DDT 轉(zhuǎn)捩局部壓力波和火焰的變化更復(fù)雜和劇烈，對(duì)于爆震形成過程中壓力波和火焰之間相互作用的機(jī)理并不完全清楚，如能了解此階段壓力波和火焰相互匹配特性的變化規(guī)律，將對(duì)理解爆震波的形成具有重要意義。

本文中，在爆震管內(nèi)利用拍攝速度為50 000 s－1的相機(jī)拍攝的圖片，結(jié)合DDT 轉(zhuǎn)捩部位放置的壓力傳感器和離子探針分別測量的壓力波和火焰信號(hào)，研究DDT 過程中壓力波和火焰匹配特性的變化規(guī)律，為深入理解爆震波形成過程提供新的思路，也為氫發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的研究提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及研究參數(shù)

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括氣源、爆震管、充氣與循環(huán)系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)和測量系統(tǒng)等，如圖1 所示。氣源為氫氣，余氣因數(shù)α=1.0。爆震管內(nèi)氣體參數(shù)為常壓、常溫(p=0.101 MPa，T=301 K)。爆震管一端剛性密封，出口端用厚0.5 mm 的膜片密封。爆震管內(nèi)裝有8 片堵塞比為0.3 的方形環(huán)狀“回”型擾流片，間距δ=120，240 mm，起始位置距剛性封閉端180 mm。擾流片、壓力傳感器的具體安裝位置及拍攝部位(圖1中兩粗實(shí)線之間)如圖1 所示。PCB 高頻壓力傳感器(113A22，頻響500 kHz)起始安裝位置隨爆震管內(nèi)狀態(tài)的變化而有所差異。壓力傳感器按間距50 mm 分布在爆震管上，其中第1 個(gè)壓力傳感器距離封閉端800 mm，用P1 表示，依次類推，第7 個(gè)傳感器用P7 表示。壓力傳感器信號(hào)由NI 公司NIPXI21042Q采集系統(tǒng)記錄，該系統(tǒng)共有16 個(gè)并行通道，每通道頻響為2.5 MHz。另外，為了同時(shí)監(jiān)控火焰信號(hào)的變化，在爆震管上布置自行研制的離子探針［8］及采集系統(tǒng)，其中第1 個(gè)離子探針距離封閉端750 mm，用ib1 表示，依次類推，第8 個(gè)離子探針用ib8 表示，離子探針和壓力傳感器同截面放置。爆震管側(cè)面加工了一個(gè)長1 400 mm、寬60 mm 的槽，上面蓋有5 mm 厚的聚碳酸脂板(透光性好，耐壓10 MPa 以上)，起始位置距封閉端40 mm。高速攝影機(jī)選用柯達(dá)Redlake 公司的HG100K 型號(hào)(最高速度為105s－1)。點(diǎn)火位置距剛性封閉端60 mm。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)照片見文獻(xiàn)［9］。

實(shí)驗(yàn)時(shí)首先用真空泵將爆震管抽成真空，然后分別充入空氣和燃料，通過真空表的讀數(shù)(分壓力)確定兩者的流量。充氣結(jié)束后，開啟循環(huán)泵使燃料和空氣達(dá)到均勻混合狀態(tài)，最后點(diǎn)火起爆。所有測試儀器的觸發(fā)信號(hào)都與點(diǎn)火信號(hào)同步，即按下點(diǎn)火按鈕的同時(shí)開始工作或記錄數(shù)據(jù)。

2 研究結(jié)果及分析

針對(duì)相同狀態(tài)參數(shù)的混氣重復(fù)進(jìn)行兩次拍攝，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明爆震管內(nèi)壓力波和火焰的發(fā)展規(guī)律類似，主要差別是爆震起爆位置(或DDT 距離)不同。下面的討論選擇其中一種實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行。

2.1 數(shù)據(jù)處理方法

圖2 為壓力傳感器P1 ～P7 的壓力時(shí)序圖，從圖中可知，壓力波經(jīng)過P1 ～P7 的過程中，峰值從0.5 MPa 上升到7.14 MPa，到達(dá)P7 時(shí)壓力為2.76 MPa，管內(nèi)已產(chǎn)生穩(wěn)定的爆震波，表明爆震管在P1 ～P7 之間的局部區(qū)域內(nèi)完成了緩燃向爆震的轉(zhuǎn)捩，本文中主要針對(duì)這個(gè)局部區(qū)域內(nèi)壓力波和火焰相互之間的匹配特性進(jìn)行分析。壓力波傳播速度計(jì)算方法:按照特定距離(50 mm)下不同壓力傳感器獲得的壓力突躍點(diǎn)的時(shí)間差進(jìn)行計(jì)算。

圖3 為DDT 高速攝影圖，都以點(diǎn)火時(shí)刻為計(jì)時(shí)零點(diǎn)?；鹧孢_(dá)到時(shí)刻取值方法為:圖3(m)中出現(xiàn)白色亮帶區(qū)域，代表爆震管內(nèi)出現(xiàn)過爆，此時(shí)對(duì)應(yīng)位置P5 處壓力峰值的觸發(fā)時(shí)刻為482 788 μs，以過爆壓力峰值處的時(shí)刻為標(biāo)準(zhǔn)，將482 788 μs 作為圖3(m)的拍攝時(shí)刻。而每幅圖的時(shí)間間隔為20 μs，以圖3(m)的數(shù)據(jù)為依據(jù)，向上每減小20 μs 即為上幅圖片對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，向下每增加20 μs 為下一幅圖片對(duì)應(yīng)的時(shí)刻。然后計(jì)算每幅圖上火焰峰面到封閉端的距離，便可以知道火焰峰面隨時(shí)間的移動(dòng)距離，從而求出火焰?zhèn)鞑ニ俣?。其中圖3(p)中火焰峰面已超出拍攝范圍，火焰面移動(dòng)位置取值以圖3(a)～(o)為準(zhǔn)。在圖中標(biāo)出了7 個(gè)壓力傳感器所處的具體位置。另外，緩燃階段火焰很弱，處理時(shí)把每幅圖的對(duì)比度和亮度進(jìn)行調(diào)整，以便顯示火焰鋒面位置。

圖2 壓力傳感器時(shí)序圖Fig.2 History of pressure transducers

2.2 波與火焰強(qiáng)度匹配特性

波的強(qiáng)度指壓力波峰值躍升的時(shí)間長短和峰值壓力的大小，如圖2 所示。火焰的強(qiáng)度主要指燃燒強(qiáng)度，表現(xiàn)為圖3 中圖片亮度的不同及圖4 中信號(hào)線觸發(fā)時(shí)刻不同和觸發(fā)強(qiáng)度的變化。

從圖2 中可知，壓力傳感器從P1 的0.5 MPa 上升到P4 位置的1.5 MPa，壓力波峰值逐漸上升同時(shí)躍升時(shí)間逐漸縮短，說明在此區(qū)間管內(nèi)處于緩燃階段，但壓力波強(qiáng)度在逐漸增大。和P1 ～P4 位置對(duì)應(yīng)的離子探針位置為ib2 ～ib5，由圖4 可知，此區(qū)域內(nèi)離子探針的信號(hào)非?；靵y，沒有依照安裝順序依次觸發(fā)，ib1 ～ib5 的觸發(fā)順序依次為ib2、ib5、ib4、ib3、ib1，且觸發(fā)曲線呈緩慢升高趨勢，同時(shí)反映在圖3(a)～(j)中的亮度逐漸加強(qiáng)，說明火焰的燃燒強(qiáng)度也在逐漸增大。離子探針信號(hào)的紊亂反映出緩燃階段時(shí)火焰強(qiáng)度比較小，主要是由于:(1)氫氣本身所含的原子數(shù)比較少，相對(duì)于其他多原子氣體來說，燃燒時(shí)產(chǎn)生的帶電離子比較少;(2)在緩燃階段時(shí)燃燒不完全，氫氣在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)釋放出的帶電離子濃度比較低且分布不均勻;(3)從以往的研究中也發(fā)現(xiàn)，由于離子探針自身存在著一些缺陷如積碳或探針間距的變化，使火焰信號(hào)觸發(fā)受到離子濃度的制約。

從圖3(k)中可以看到，靠近壁面處出現(xiàn)白色亮點(diǎn)，對(duì)應(yīng)圖5 中位置P5 處壓力從482 733 μs 開始出現(xiàn)躍升，表明熱點(diǎn)出現(xiàn)，壓力進(jìn)一步增強(qiáng)。隨后熱點(diǎn)沿?cái)_流片向管道中間迅速擴(kuò)散，經(jīng)過40 μs 隨即在圖3(m)中出現(xiàn)白色亮帶，相應(yīng)地圖5 中經(jīng)過40 μs 到482 773 μs 時(shí)壓力又一次開始躍升，到482 788 μs 時(shí)躍升至最大值7.14 MPa，代表管內(nèi)出現(xiàn)過爆。隨后爆震波開始衰減，壓力波峰值從位置P6的5.35 MPa 降到位置P7 的2.76 MPa，此時(shí)圖3(n)～(p)的亮度開始變暗。在此過程中離子探針觸發(fā)順序?yàn)閕b6、ib7、ib8，各曲線上升時(shí)間比較短。這說明在距離封閉端d=1 000 mm 后管內(nèi)產(chǎn)生爆震波后，管內(nèi)燃燒強(qiáng)度急劇增加。產(chǎn)生過爆或爆震時(shí)化學(xué)反應(yīng)很劇烈，燃燒時(shí)釋放的離子濃度比較高，使得爆震區(qū)域內(nèi)的離子探針能及時(shí)觸發(fā)。隨著回傳爆震波向上游傳播，靠近爆震管封閉端的離子探針才被觸發(fā)。由于DDT 過程中壓力波和火焰是正反饋的相互作用過程，因此壓力波和火焰的強(qiáng)度也呈現(xiàn)出是相互正反饋的匹配過程:燃燒強(qiáng)度弱時(shí)，壓力波強(qiáng)度也弱;燃燒強(qiáng)度急劇增加時(shí)，壓力波強(qiáng)度同時(shí)加強(qiáng)。

2.3 波與火焰速度匹配特性

圖6 為壓力波和火焰速度圖，從圖中可以看出，在點(diǎn)火經(jīng)過大約482 600 μs 時(shí)，壓縮波速度從點(diǎn)火時(shí)的音速(約300 m/s)增加到約800 m/s 左右，而火焰速度增加緩慢，從最初的幾十米每秒增加到300 m/s 左右，因此導(dǎo)致壓縮波和火焰之間的距離逐漸增大。隨著火焰的傳播，在482 600 ～482 660 μs 間，壓縮波開始疊加形成激波達(dá)到C-J 爆燃速度(約900 m/s)，火焰的速度增幅(300 ～1 200 m/s)大于激波速度的增幅(約100 m/s)，使火焰的速度高于激波速度。在擾流器內(nèi)部，擾流片會(huì)同時(shí)增加火焰湍流強(qiáng)度和激波的強(qiáng)度，使火焰和激波同時(shí)加速，但影響火焰速度增幅的因素相對(duì)多些:(1)來自擾流片的反射激波對(duì)火焰產(chǎn)生擾動(dòng)作用，增加了Rayleigh-Taylor 面的不穩(wěn)定性，從而進(jìn)一步增大了燃燒速率;(2)擾流片誘導(dǎo)的大尺度湍流與壁面邊界層誘導(dǎo)的小尺度湍流結(jié)合在一起，提高了火焰的燃燒速率［10］;(3)火焰燃燒強(qiáng)度和湍流強(qiáng)度增強(qiáng)致使火焰的長度變大，同時(shí)火焰在沿著擾流片傳播時(shí)會(huì)受到擾動(dòng)，誘導(dǎo)當(dāng)?shù)販囟群蛪毫Φ纳?。另外激波的能量高于壓縮波，當(dāng)激波傳播時(shí)也會(huì)提高當(dāng)?shù)匚慈蓟鞖獾臏囟群蛪毫?，這些因素均導(dǎo)致火焰速度增幅變大，激波和火焰的距離開始變小。

圖3 DDT 過程高速攝影圖Fig.3 High-speed imagings of DDT process

482 660 μs 后火焰持續(xù)向下游傳播，火焰強(qiáng)度和速度的同時(shí)增大進(jìn)一步增強(qiáng)了激波的強(qiáng)度。當(dāng)一定強(qiáng)度的激波運(yùn)動(dòng)到482 748 μs 時(shí)(見圖3(k))，強(qiáng)激波誘導(dǎo)下在壁面附近出現(xiàn)熱點(diǎn)(爆轟中心)。在482 748 ～482 788 μs 之間，由于爆轟中心的出現(xiàn)，激波速度進(jìn)一步增大，同時(shí)熱點(diǎn)迅速向管道中間擴(kuò)散，火焰速度也進(jìn)一步增大，此時(shí)火焰和激波的速度基本上同步增加。在482 788 μs 時(shí)，管內(nèi)出現(xiàn)過爆，這主要由于激波和火焰的相互正反饋機(jī)理，激波的強(qiáng)度足以使未燃混氣產(chǎn)生自燃，反應(yīng)區(qū)內(nèi)激波掃過未燃區(qū)后呈現(xiàn)多點(diǎn)燃燒的火焰刷(見圖3(m))，火焰刷內(nèi)燃燒的不連續(xù)可能造成火焰的速度達(dá)到2 250 m/s，大于C-J 速度。同時(shí)火焰刷內(nèi)壓力的波動(dòng)使壓力波速度達(dá)到2 380 m/s，大于火焰速度和C-J 速度。482 800 μs 后，當(dāng)燃燒產(chǎn)生的能量不足以維持高速激波的運(yùn)動(dòng)時(shí)，過爆開始衰減，隨后激波和火焰以相同的速度傳播，激波和火焰耦合在一起形成穩(wěn)定的爆震波。在DDT 過程中，壓力波和火焰速度大小相互交替進(jìn)行，最后都等于C-J 速度，這與文獻(xiàn)［2］的結(jié)果類似。

圖4 離子探針時(shí)序圖Fig.4 History of ionization probes

圖5 位置P5 壓力時(shí)序圖Fig.5 History of position P5

圖6 波和火焰速度圖Fig.6 Time evolution of velocity of wave and flame

2.4 波與火焰位置匹配特性

圖7 壓力波和火焰位置隨時(shí)間變化曲線圖Fig.7 Time evolution of position of wave and flame

從圖2 ～3 分別得出了壓力波和火焰到達(dá)不同位置的時(shí)刻，反過來可以知道不同時(shí)刻壓力波和火焰在爆震管內(nèi)所處的位置，如圖7 所示。由圖7 可以看出:2 條曲線都呈現(xiàn)出上升的趨勢，表示隨著時(shí)間的推移，壓力波和火焰沿著爆震管在不斷推進(jìn)。曲線在上升過程中，相同的時(shí)刻壓力波在爆震管中的位置要大于火焰所處的位置，表明壓力波一直位于火焰的前面。但壓力波曲線的斜率大于火焰曲線斜率，正如2.3 節(jié)的分析表明，火焰速度的增幅大于激波速度的增幅，火焰一直在追趕壓力波，逐漸縮小了與壓力波的距離。隨著時(shí)間的發(fā)展，2 條曲線相交，相交時(shí)刻為482 762 μs，對(duì)應(yīng)位置距封閉端1 027 mm，表示在1 027 mm 位置處火焰趕上壓力波。由圖5 可知，過爆壓力觸發(fā)的起始時(shí)刻為482 773 μs，說明火焰在趕上壓力波后僅過了11 μs 爆震管內(nèi)便開始形成過爆，出現(xiàn)了多點(diǎn)燃燒的區(qū)域性爆炸，處于過爆區(qū)的位置P5 處的過爆壓力則是由于多點(diǎn)爆炸燃燒產(chǎn)生的局部壓力升高引起的，而并非壓力波的壓力。

圖7 所示過爆發(fā)生時(shí)火焰臨時(shí)處于壓力波前面，壓力波曲線和火焰曲線呈現(xiàn)出短暫的平行發(fā)展，原因可能有:(1)局部區(qū)域性爆炸引起的過爆在極短時(shí)間和較小空間內(nèi)釋放出巨大的能量，推動(dòng)火焰面向前運(yùn)動(dòng)。局部空間內(nèi)劇烈燃燒的某些微小火焰團(tuán)可能會(huì)“飛濺”出正在衰減的多點(diǎn)燃燒區(qū)，越過火焰面，先行點(diǎn)燃激波前面的未燃混氣而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，隨后火焰面前沿形成的激波才傳過來;(2)壓力波和火焰的變化非常劇烈，尤其是火焰面的形狀極其復(fù)雜，發(fā)展的火焰面極度彎曲。離子探針和壓力傳感器雖然同截面放置，但爆震波面不是同時(shí)到達(dá)同一截面，最先到達(dá)的爆震波面可能先觸發(fā)離子探針;(3)在過爆燃燒的時(shí)間內(nèi)，燃燒峰面還沒有匯集形成強(qiáng)激波，隨著過爆的衰減，才會(huì)有強(qiáng)激波出現(xiàn)?？梢栽O(shè)想，隨著過爆的衰減，燃燒波前面開始出現(xiàn)強(qiáng)激波，表現(xiàn)在圖7 中為壓力波曲線將再次與火焰曲線相交。當(dāng)穩(wěn)定爆震波出現(xiàn)時(shí)，激波會(huì)一直位于火焰的前面，2 條曲線將會(huì)同步發(fā)展，只是在相同時(shí)刻壓力波曲線對(duì)應(yīng)的位置會(huì)略高于火焰曲線所對(duì)應(yīng)的位置。

3 結(jié) 論

(1)DDT 過程中壓力波和火焰相互作用的正反饋性質(zhì)決定了彼此之間強(qiáng)度匹配的正反饋特性;

(2)DDT 過程中壓力波和火焰的速度表現(xiàn)為交替變化的匹配特性，由于緩燃過程中火焰速度的增幅大于壓力波速度的增幅，決定了壓力波和火焰的位置特性:火焰面和壓力波的距離逐漸縮小，當(dāng)火焰追趕上激波產(chǎn)生過爆時(shí)，火焰暫時(shí)位于激波前面。在過爆衰減直至形成穩(wěn)定爆震波的過程中，雖然火焰和壓力波的速度在不斷變化，但強(qiáng)激波掃過后混氣發(fā)生自燃使激波和火焰面耦合在一起，激波位于火焰面前沿。

［1］ Urtiew P A，Oppenheim A K.Experimental observations of the transition to detonation in an explosive gas［J］.Proceedings of Royal Society London:A，1966，295:13-28.

［2］ Lee S Y，Conrad C，Watts J，et al.Deflagration to detonation transition study using simultaneous schlieren and OH PLlF images［R］.AlAA 2000-3217，2000.

［3］ Meyer T R，Hoke J L，Brown M S，et al.Experimental study of deflagration-to-detonation enhancement techniques in a H2/air pulse detoantion engine［R］.AIAA 2002-3720，2002.

［4］ Hailin L，Ghazi A K.Knock in spark ignition hydrogen engines［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2004，29(8):859-865.

［5］ Szwajaa S，Bhandarya K R，Nabera J D，et al.Comparisons of hydrogen and gasoline combustion knock in a spark ignition engine［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2007，32(18):5076-5087.

［6］ Nobuyuki K，Eiji T，Yoshitomo S，et al.Auto-ignited kernels during knocking combustion in a spark-ignition engine［J］.Proceedings of the Combustion Institute，2007，31(2):2999-3006.

［7］ Nobuyuki K，Eiji T.Visualization of auto-ignition and pressure wave during knocking in a hydrogen spark-ignition engine［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2009，34(7):3156-3163.

［8］ 韓啟祥，王家驊，王維來.測量爆燃到爆震轉(zhuǎn)捩距離的離子探針技術(shù)研究［J］.航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2003，17(1):97-100.HAN Qi-xiang，WANG Jia-hua，WANG Wei-lai.Investigation of the ion-probe technology for measuring the DDT distance［J］.Journal of Aerospace Power，2003，17(1):97-100.

［9］ 何小民，張彭崗.緩燃向爆震轉(zhuǎn)捩過程中火焰和壓力波發(fā)展規(guī)律試驗(yàn)［J］.航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2008，23(11):2036-2042.HE Xiao-min，ZHANG Peng-gang.Investigation on the mechanism of wave and flame in the deflagration to detonation transition process［J］.Journal of Aerospace Power，2008，23(11):2036-2042.

［10］ Oran E S，Gamezo V N，Khokhlov A M，et al.Effects of boundary layers and wakes on shock-flame interactions and DDT［R］.AIAA 2002-0766，2002.