凝膠汽油在脈沖爆轟發(fā)動機中的爆轟特性實驗①

胡洪波，翁春生，白橋棟，楊建魯

(南京理工大學瞬態(tài)物理國家重點實驗室，南京 210094)

凝膠汽油在脈沖爆轟發(fā)動機中的爆轟特性實驗①

胡洪波，翁春生，白橋棟，楊建魯

(南京理工大學瞬態(tài)物理國家重點實驗室，南京 210094)

為探索凝膠燃料在脈沖爆轟發(fā)動機中應用的可行性，設計了凝膠汽油脈沖爆轟火箭發(fā)動機實驗系統(tǒng)。對不同氧含量和凝膠汽油供給工況下的多循環(huán)脈沖爆轟發(fā)動機進行了熱態(tài)實驗，分析了氧含量和燃料供給工況對爆轟段爆轟壓力和波傳播速度的影響。實驗結果表明，使用凝膠汽油的脈沖爆轟火箭發(fā)動機能穩(wěn)定工作;在氧氣質量百分比為42%、凝膠汽油/霧化空氣噴射壓力系數為2.5/1工況下，距離發(fā)動機點火位置770 mm處的爆轟壓力均值為2.02 MPa，爆轟波速度均值為1 124 m/s。在相同凝膠汽油供給條件下，增加氧含量能夠獲得更大的爆轟壓力和爆轟波速度。研究結果對凝膠燃料和脈沖爆轟發(fā)動機應用研究具有參考意義。

脈沖爆轟發(fā)動機;凝膠汽油;爆轟;熱態(tài)實驗

0 引言

使用凝膠劑將液體燃料膠凝化形成的凝膠燃料是一種兼具固體燃料和液體燃料優(yōu)點的新型燃料，安全性好、能量管理靈活等［1-3］，在未來新型動力裝置中具有廣泛的應用前景。目前，對凝膠燃料的研究主要集中在凝膠燃料流動、霧化與燃燒等基礎物性方面［4-6］，有關凝膠燃料在發(fā)動機中應用的研究尚不多見［7-10］。由于凝膠劑的作用，凝膠燃料的粘度比液體基燃料高很多，對組織凝膠燃料高效燃燒提出了更高要求。因此，設計或選擇適合凝膠燃料的發(fā)動機是實現(xiàn)凝膠燃料工程化應用的關鍵之一。

脈沖爆轟發(fā)動機因其結構簡單、熱效率高等優(yōu)點，有望成為新一代動力裝置［11-13］。將凝膠燃料應用于脈沖爆轟發(fā)動機，有可能提高凝膠燃料燃燒的熱效率。此外，脈沖爆轟發(fā)動機以爆轟模式燃燒，其燃燒過程中存在的高強度剪切氣流有助于燃料液滴的蒸發(fā)與剝離，有可能彌補凝膠燃料液滴蒸發(fā)、燃燒困難的不足。因此，研究凝膠燃料在脈沖爆轟發(fā)動機中的爆轟特性，對推進凝膠燃料工程化應用具有現(xiàn)實意義。截至目前，脈沖爆轟發(fā)動機使用的燃料多為液體燃料。文獻［14］對以煤油為燃料的多循環(huán)脈沖爆轟發(fā)動機進行了實驗研究。文獻［15］對以汽油為燃料的脈沖爆轟火箭發(fā)動機進行了實驗研究。但尚未見到凝膠燃料在多循環(huán)脈沖爆轟發(fā)動機中應用的相關報道。

本文以SiO2/汽油凝膠為燃料，設計了凝膠汽油脈沖爆轟火箭發(fā)動機實驗系統(tǒng)，通過改變凝膠汽油在發(fā)動機中試驗的工況，對凝膠汽油在多循環(huán)脈沖爆轟火箭發(fā)動機中的應用進行了實驗探索。

1 實驗系統(tǒng)

如圖1所示，凝膠汽油脈沖爆轟火箭發(fā)動機實驗系統(tǒng)主要組成為爆轟發(fā)動機進氣孔、點火裝置、爆轟管、凝膠汽油噴射霧化裝置、氣源及數據采集系統(tǒng)等。爆轟管長為1.2 m，由混合段、點火段和爆轟室構成。其中，爆轟室內安裝有擾流裝置，以促進燃燒轉爆轟形成。

圖1 凝膠汽油脈沖爆轟火箭發(fā)動機系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of pulse detonation rocket engine with gelled gasolines

對于使用固體顆粒凝膠劑的凝膠汽油，實驗過程中使用實心噴嘴、精細霧化噴嘴等易發(fā)生堵塞。因此，凝膠汽油噴射霧化裝置采用自行設計的高效噴嘴來實現(xiàn)爆轟發(fā)動機凝膠汽油燃料填充，該噴嘴利用霧化空氣與凝膠汽油的相互作用來增強凝膠汽油的霧化效果，并通過調節(jié)霧化空氣和凝膠汽油噴射壓力來改變燃料供給。爆轟壓力和波傳播速度測量由數據采集系統(tǒng)和安裝在爆轟管上的動態(tài)壓力傳感器p1(距點火位置615 mm)、p2(距點火位置770 mm)來實現(xiàn)。實驗數據采集頻率為500 kHz。

2 實驗結果與討論

2.1 凝膠汽油粘度與剪切速率的關系

采用超聲波振蕩與機械攪拌相結合的方法，制備實驗用凝膠汽油。其中，凝膠劑納米氣相SiO2的比表面積為200 m2/g，液體基燃料為汽油，其粘度為10-4量級。凝膠劑含量占合成凝膠汽油質量的5%。凝膠汽油的粘度對噴射霧化有較大影響，而霧化效果直接影響脈沖爆轟發(fā)動機的燃燒轉爆轟過程。因此，首先對制備的凝膠汽油粘度進行了實驗測定。圖2給出了不同剪切速率下凝膠汽油與液體汽油粘度。由圖2可看出，凝膠汽油具有明顯的剪切變稀特性，其粘度隨剪切速率增大而降低。在0.1 s-1的較低剪切速率下，凝膠汽油的粘度為2 637 Pa·s，比液體汽油的粘度高出6個數量級。在4 901 s-1的較高剪切速率下，凝膠汽油的粘度為0.018 Pa·s，仍比液體汽油的高出許多。

圖2不同剪切速率γ·下凝膠汽油與液體汽油粘度ηFig.2 Viscosities of gelled gasolines and liquid gasolines at different shear rates

2.2 不同工況下的實驗結果分析

通過改變填充氣體的氧含量和凝膠汽油/霧化空氣噴射壓力系數，對使用凝膠汽油的脈沖爆轟火箭發(fā)動機進行了不同工況的熱態(tài)實驗，其結果列于表1。

由表1可見，凝膠汽油在不同實驗工況下p1、p2位置的脈沖壓力峰值介于0.52～4.11 MPa。其中，實驗5、6、7 和 8 中 p2 位置的壓力峰值介于 0.85～2.58 MPa，p1、p2間波傳播平均速度介于945～1 435 m/s。圖3是凝膠汽油實驗6工況下p1、p2位置壓力隨時間的變化曲線。由于燃料難以完全均勻分布，爆轟過程十分復雜，單次爆轟波壓力大小不一。如圖3所示，p1、p2 位置對應的壓力峰值分別介于 1.64～3.98 MPa和1.11～ 2.58 MPa;p1、p2 間波傳播平均速度介于1 047～1 174 m/s。對p2位置在0.5 s內的壓力峰值和p1、p2間波傳播速度取平均值，得到爆轟壓力均值為2.02 MPa，爆轟波速度均值為 1 124 m/s。圖 3(c)顯示，p2位置壓力從初始壓力上升至峰值壓力的時間為4 μs。綜合考慮壓力上升過程、壓力峰值及波傳播速度，認為爆轟已形成。

表1 不同氧含量和凝膠汽油供給工況下p1、p2位置的壓力和波傳播速度Table 1 Pressures and wave velocities of p1 and p2 positions under different oxygen concent and fuel supply

圖3 實驗6 p1、p2位置壓力隨時間的變化Fig.3 Pressures vs time of p1 and p2 positions of No.6 experment

為便于比較，圖4給出了將液體汽油作為燃料進行脈沖爆轟火箭發(fā)動機熱態(tài)實驗時，p1、p2位置壓力隨時間的變化曲線。其對應實驗工況的氧含量為37%，液體汽油/霧化空氣噴射壓力系數為1/1。由圖4 可看出，p1 位置的壓力峰值介于 2.15～3.15 MPa，p2位置的壓力峰值介于 2.06～2.85 MPa。p1、p2 位置間波傳播平均速度介于1 428～1 667 m/s，表明爆轟管內已形成爆轟波。

圖4 燃料為液體汽油時p1、p2位置壓力隨時間的變化Fig.4 Pressure vs time of p1 and p2 positions using liquid gasolines as fules

圖5給出了凝膠汽油與液體汽油霧化粒徑分布的實驗結果。該結果為圖3、圖4對應霧化工況下自由空間噴射霧化時，某截面不同位置的霧化測量結果。可看出，液體汽油霧化粒徑分布更寬、更均勻，有利于爆轟波形成。盡管凝膠汽油液滴與液體汽油液滴的索泰爾平均粒徑均值大小相近，但其爆轟壓力和爆轟波傳播速度均比液體汽油的低，其原因主要在于凝膠汽油粘度大、蒸發(fā)與剝離更加困難，從而使得爆轟壓力和波傳播速度低。

圖5 凝膠汽油與液體汽油霧化粒徑分布Fig.5 Particle size distributions of atomizing with gelled gasolines and liquid gasolines

2.3 氧含量和凝膠汽油噴射霧化條件對爆轟管內壓力和波傳播速度的影響

由于各個壓力波傳播速度和壓力峰值大小不一，為方便比較，對0.5 s內脈沖壓力波傳播速度和壓力峰值取均值進行分析。圖6給出了不同氧含量和凝膠汽油供給工況下，p2位置壓力峰值和p1、p2間波傳播速度的平均值。實驗1的壓力峰值和波傳播速度均值分別為0.61 MPa和641 m/s。與實驗1相比，實驗2氧含量由32%提高到37%，其壓力峰值和波傳播速度均值分別增加了0.38 MPa和162 m/s。實驗4的壓力峰值和波傳播速度均值分別為1.19 MPa和929 m/s。與實驗4相比，實驗5氧含量由37%提高到42%，其壓力峰值和波傳播速度均值分別增加了0.66 MPa和317 m/s。可見，由于氧含量增加，燃料、氧化劑燃燒反應活性增強，使得壓力峰值和波傳播速度都增加。

由圖6可知，霧化空氣噴射壓力系數為1時，隨著凝膠汽油噴射壓力系數由1增大到2，p2位置的壓力峰值和p1、p2間波傳播速度均值先增大后減小。凝膠汽油噴射壓力系數為2.5時，隨著霧化空氣壓力系數由0.8增大到1.3，p2位置的壓力峰值和p1、p2間波傳播速度均值也先增大后減小。這是因為當保持空氣霧化壓力不變時，增大凝膠汽油噴射壓力，凝膠汽油供給量增加，壓力峰值與波傳播速度均增大。當凝膠汽油過量時，壓力峰值與波傳播速度則減小。當保持凝膠汽油噴射壓力不變時，情況正好相反。減小霧化空氣壓力，凝膠汽油供給量增加。因此，合適的凝膠汽油供給量，才能獲得較高的壓力峰值和波傳播速度。

圖6 不同氧含量和凝膠汽油供給工況下p2位置壓力峰值與p1、p2間波傳播速度的平均值Fig.6 Mean values of peak pressures of p2 position and velocities between p1 and p2 under different oxygen concent and fuel supply

圖7為實驗1工況下p2發(fā)生點火間斷現(xiàn)象的壓力-時間曲線。由圖7可知，在0.5 s內僅出現(xiàn)了7個壓力波，而20 Hz的點火頻率下應存在10個壓力波，表明部分點火未成功。這是因為凝膠汽油粘度大，不易蒸發(fā)，當氧含量不高、燃燒反應活性較低時，燃燒不穩(wěn)定性增加，從而出現(xiàn)圖7所示的點火失效現(xiàn)象。

圖7 實驗1工況下發(fā)生點火間斷現(xiàn)象的壓力-時間曲線Fig.7 Pressure vs time of p2 position when ignition discontinuity occurred under No.1 experimental condition

3 結論

(1)實驗結果表明，使用凝膠汽油的脈沖爆轟火箭發(fā)動機能夠穩(wěn)定工作。在氧含量為42%、凝膠汽油/霧化空氣噴射壓力系數為2.5/1時，距發(fā)動機點火位置770 mm處的爆轟壓力均值為2.02 MPa，爆轟波速度均值為1 124 m/s。

(2)由于凝膠汽油粘度大，霧化與蒸發(fā)困難，實現(xiàn)凝膠汽油爆轟需要更高的燃料噴射壓力。實驗獲得的凝膠汽油爆轟壓力和爆轟波速度均比液體汽油的低。

(3)增加氧含量，可改善凝膠汽油點火起爆特性。相同凝膠汽油供給工況下，氧含量增加，凝膠汽油爆轟壓力和爆轟波速度增大。

［1］Arnold R S，Santos P H，Campanella O H，et al.Rheological and thermal behavior of gelled hydrocarbon fuels［J］.Journal of Propulsion and Power，2011，27(1):151-161.

［2］Arnold R，Anderson W E.Droplet burning of JP-8/silica gels［R］.AIAA 2010-421.

［3］豐松江，何博，聶萬勝.液體火箭凝膠推進劑燃燒特性研究進展［J］.火箭推進，2009，35(4):1-7.

［4］左博，張蒙正.凝膠推進劑直圓管中剪切速率與表觀粘性實驗研究［J］.火箭推進，2007，33(4):12-15.

［5］強洪夫，劉虎，韓亞偉，等.基于 SPH方法的凝膠推進劑一次霧化仿真研究［J］.固體火箭技術，2013(1):61-66.

［6］劉香翠，張煒，朱慧，等.納米鋁粉及納米鋁粉/煤油凝膠體系能量性能研究［J］.固體火箭技術，2005，28(3):198-198.

［7］張蒙正，李軍，陳煒，等.互擊式噴嘴燃燒室燃燒效率實驗［J］.推進技術，2012，33(1):54-57.

［8］黃敏超，余勇，朱恒偉，等.凝膠推進劑火箭發(fā)動機工作過程仿真研究［J］.動力學與控制學報，2007，5(2):189-192.

［9］Palaszewski B，Jurns J，Breisacher K，et al.Metallized gelled propellants combustion experiments in a pulse detonation engine［R］.AIAA 2004-4191.

［10］Nusca M J，Mathis N P，Michaels R S.Modeling hypergolic ignition in the army′s impinging stream vortex engine including injection throttling［R］.AIAA 2007-5443.

［11］Kasahara J，Hasegawa A，Nemoto T，et al.Thrust demonstration of a pulse detonation rocket“TODOROKI”［R］.AIAA 2007-5007.

［12］張義寧，王家驊，何小民，等.爆震室壓力測量可靠性試驗［J］.航空動力學報，2007，22(10):1632-1638.

［13］秦鵬高，白橋棟，翁春生，等.供氣含氧量對脈沖爆轟發(fā)動機性能影響的實驗研究［J］.彈道學報，2011，23(1):5-8.

［14］范育新，宮繼雙，齊海帆，等.多循環(huán) PDE利用壁溫蒸發(fā)煤油的試驗研究［J］.工程熱物理學報，2011，32(1):161-164.

［15］陳帆，范瑋，王可，等.基于旋轉閥的脈沖爆震火箭發(fā)動機實驗［J］.推進技術，2013，34(6):860-864.

(編輯:崔賢彬)

Experiment of detonation characteristics of gelled gasolines in pulse detonation engine

HU Hong-bo，WENG Chun-sheng，BAI Qiao-dong，YANG Jian-lu
(National Key Lab of Transient Physics，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China)

An experimental system of pulse detonation rocket engine using gelled fuels was established to explore the feasibility of application of gelled fuels on pulse detonation engines.The hot state tests were accomplished on multi-cycle pulse detonation rocket engine at different oxygen concentration and supply conditions of gelled fuels.The influences of oxygen concentration and fuel supply conditions on pressure and wave propagation velocity of detonation wave were analyzed.The experimental results indicate that pulse detonation rocket engine can work stably with gelled fuels.With 42%oxygen in filling gases and injection pressure coefficients of fuel and atomizing air at 2.5 and 1，the average value of detonation pressure and wave velocity were 2.02 MPa and 1 124 m/s respectively.The pressure and wave velocity of detonation increase with oxygen addition under the same fuel supply conditions.The results have some significant references for application investigation on gelled fuels and pulse detonation engines.

pulse detonation engine;gelled gasoline;detonation;hot state test

V439

A

1006-2793(2014)04-0505-05

10.7673/j.issn.1006-2793.2014.04.014

2013-09-12;

2013-10-12。

國家自然科學基金(11372741);中央高校基本科研業(yè)務費專項資金(30920130112007)。

胡洪波(1987—)，博士生，主要從事凝膠推進劑爆轟的實驗研究。E-mail:huhongbonjusteducn@163.com

白橋棟(1979—)，男，博士，研究方向為爆轟推進技術。E-mail:baiqd@njust.edu.cn