噴嘴位置對脈沖爆轟發(fā)動機性能影響的試驗研究

蔣 弢，翁春生

( 南京理工大學 瞬態(tài)物理國家重點實驗室，南京 210094)

0 引 言

脈沖爆轟發(fā)動機( Pulse Detonation Engine，簡稱PDE)是一種利用脈沖式爆轟波產(chǎn)生高溫高壓燃氣來獲得推力的新型推進系統(tǒng)。與傳統(tǒng)發(fā)動機相比，它結(jié)構(gòu)簡單，推重比大，熱循環(huán)效率高，具有廣泛的應(yīng)用前景。

目前國內(nèi)外做了大量試驗來研究多種因素對脈沖爆轟發(fā)動機爆燃轉(zhuǎn)爆轟過程的影響，其中液體燃料高速噴射、霧化和兩相混合是其中重要的影響因素。DEAN［1］和Dnih［2］等人的研究得出了霧化混合結(jié)果的好壞對PDE 爆燃轉(zhuǎn)爆轟過程有重要影響的結(jié)論。Varathalrajan［3］等人研究了加快來流速度對PDE 內(nèi)液態(tài)燃油霧化的影響。Brophy［4］等人通過采用預(yù)爆轟管來快速、穩(wěn)定地起爆PDE 主爆轟管內(nèi)的燃料/空氣混合物。Schauer［5］等人應(yīng)用閃蒸系統(tǒng)( FvS) 來提高無預(yù)爆管和非富氧的條件下PDE 內(nèi)液態(tài)燃油的霧化。范育新［6-7］等人研究了壁面溫度和爆轟管的形狀對PDE 性能的影響。王治武［8-10］等人利用CFD 程序分別對切向、軸向和徑向進氣方式的PDE 混合室中油、氣的混合特性進行了三維數(shù)值模擬，設(shè)計了4 種混合室結(jié)構(gòu)并進行了熱態(tài)試驗研究，找到了利于點火、起爆迅速的混合室結(jié)構(gòu)，并且研究了爆轟管長度和橫向射流對DDT 過程的影響。翁春生［11-15］等人通過提高進氣壓力和供氣含氧量，改變供氣方式來改善爆轟管內(nèi)的燃油的霧化蒸發(fā)混合狀況，進而來提高PDE 的工作頻率、推力和爆轟波峰值壓力。

國內(nèi)外學者對氣液兩相脈沖爆轟發(fā)動機內(nèi)燃油霧化和兩相混合做了不少的研究，但是未見文氏管以及噴嘴和文氏管的相互作用對脈沖爆轟發(fā)動機內(nèi)燃油噴射、霧化混合過程和點火起爆過程的研究。作者建立了一套以液態(tài)汽油為燃料的兩相脈沖爆轟發(fā)動機試驗系統(tǒng)，通過改變文氏管內(nèi)噴嘴的位置來研究脈沖爆轟發(fā)動機內(nèi)的霧化混合過程和爆燃轉(zhuǎn)爆轟過程，并分析噴嘴位置對脈沖爆轟發(fā)動機性能的影響。

1 試驗系統(tǒng)

氣液兩相脈沖爆轟發(fā)動機的主要部件包括發(fā)動機本體、供氣系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、點火控制系統(tǒng)和測試系統(tǒng)等，試驗裝置如圖1 所示。

PDE 由混合室、點火室和爆轟室組成，在爆轟管頭部設(shè)置3 個夾角為120°的切向進氣孔供氣，在混合室內(nèi)內(nèi)安裝文氏管，在文氏管不同位置安裝精細霧化離心噴嘴，其噴射出的一次霧化燃油液滴部分直接穿過文氏管喉部，部分噴射在文氏管的光滑表面，形成薄的均勻油膜，在文氏管喉部高速氣流作用下二次霧化，充分混合的油氣混合物經(jīng)過文氏管的擴張段，形成霧化良好、混合充分、分布均勻的可爆混合物。在文氏管出口后一段距離處安裝火花塞點火器，可在0 ～70Hz 間工作。為了強化爆轟波的形成，需在點火室后安裝擾流裝置和激波強化裝置。

圖1 脈沖爆轟發(fā)動機試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic of the PDE

測試系統(tǒng)主要包括馬爾文粒度儀、壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)及其管路等。文氏管出口的管壁上開測試窗口，馬爾文粒度儀安裝在此處通過激光的米氏散射來測量汽油液滴的分布。在爆轟管出口沿其軸向設(shè)置有壓力傳感器，標記為P1。壓力傳感器采用高精度動態(tài)壓力傳感器。由于壓力傳感器在工作時對溫度有一定的要求，當爆轟管的溫度超過壓力傳感器的工作范圍時，壓力傳感器測出的數(shù)據(jù)將產(chǎn)生漂移。因此，試驗中采用了冷卻水套對壓力傳感器進行冷卻，通過不斷地注入流動的冷卻水來保證壓力傳感器在正常環(huán)境下工作。壓力傳感器捕捉的爆轟波瞬時信號經(jīng)過信號調(diào)理器后，由四通道數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)據(jù)采集。

2 試驗流程

脈沖爆轟發(fā)動機的工作過程包括新鮮燃料與氧化劑的填充、燃料霧化蒸發(fā)混合、點火燃燒、爆轟波的形成與傳播，以及爆轟波后燃氣的排出。試驗過程中首先設(shè)定供氣壓力和供油壓力，開啟電磁閥后，汽油通過噴嘴噴射入發(fā)動機管內(nèi)，與氧化劑空氣進行混合，用馬爾文粒度儀測量文氏管后液滴分布，然后通過火花塞點火器點燃，在擾流裝置和激波強化裝置作用下，形成穩(wěn)定的爆轟波，壓力傳感器隨之采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C中。將噴嘴安裝在以下位置按上述流程多次測量：(1) 安裝在文氏管入口處； ( 2) 安裝在文氏管喉部；(3) 安裝在文氏管擴張段內(nèi)。

3 試驗結(jié)果及討論

3.1 噴嘴位置對液滴分布的影響

試驗研究了頭部三管切向旋轉(zhuǎn)進氣的工況下，噴嘴安裝在文氏管不同位置時文氏管出口后點火頭區(qū)前液滴的霧化混合狀況。

圖2 和3 分別為文氏管出口的液滴尺寸概率分布曲線和累積分布曲線。研究脈沖爆轟發(fā)動機內(nèi)噴射霧化時，簡單分析常采用索泰爾平均半徑，深入分析還要采用液滴分布曲線。

從圖2、3 和表1 可以看出：噴嘴安裝在文氏管喉部時，噴嘴噴射出的汽油液滴經(jīng)過一次霧化后，部分直接穿過文氏管喉部在文氏管喉部高速氣流作用下二次霧化，部分噴射在文氏管的光滑表面形成薄的均勻油膜，在切向氣流作用下二次霧化，充分混合的油氣混合物經(jīng)過文氏管的擴張段，形成霧化良好、混合充分、分布均勻的可爆混合物，測得的索泰爾平均半徑為76. 9μm，在3 種實驗條件里最小，半徑小于120μm的液滴占總體積的91%，在尺寸分布上明顯向小顆粒方向偏移，說明霧化效果最好。

圖2 液滴尺寸概率分布曲線Fig.2 Curves of the droplet size probability distribution

圖3 液滴尺寸累積分布曲線Fig.3 Curves of the droplet size cumulative distribution

表1 不同位置的噴嘴對霧化混合的影響Table1 Performances of the atomization and mixing with different nozzle positions

而噴嘴安裝在文氏管擴張段時，由于燃油液滴二次霧化所需的氣流速度已遠小于文氏管喉部，一部分噴射在文氏管的光滑表面，另一部分噴射在PDE 的管壁上，形成薄的油膜，在切向旋轉(zhuǎn)氣流作用下二次霧化質(zhì)量比在喉部時差，而且安裝在擴張段的噴嘴距點火區(qū)最近，氣液兩相的混合時間和距離較短，液滴的相對尺寸范圍和發(fā)散邊界最大，混合效果不佳，測得的索泰爾平均半徑為85.4μm，半徑小于150μm 的液滴占總體積的90%，霧化效果比安裝在文氏管喉部時稍差。

噴嘴安裝在文氏管入口時霧化效果最差，索泰爾平均半徑為93.4μm，雖然半徑小于130μm 的液滴占總體積的92%，但是在尺寸分布上不均勻，呈現(xiàn)明顯的雙峰分布，而且雙峰都窄而高，大尺寸液滴集中在60 ～155μm，小尺寸液滴集中在18 ～36μm。這是由于燃油液滴絕大部分直接噴射在文氏管收斂段的表面，形成厚的油膜，不利于二次霧化，而且燃料液滴和油膜之間的作用力較大，很容易飛濺出不少半徑較小的液滴，形成了雙峰分布。雖然在文氏管入口的噴嘴離點火區(qū)最遠，有充足的混合距離和時間，液滴的相對尺寸范圍和發(fā)散邊界最小，混合效果最好，但是這不能改變霧化質(zhì)量不佳的先天不足。

綜合考慮二次霧化、混合距離和時間等各種因素，安裝在文氏管喉部的噴嘴在文氏管出口的霧化混合效果最好，安裝在文氏管入口處的噴嘴在文氏管出口的霧化混合效果最差。

3.2 噴嘴位置對PDE 工作頻率和爆轟波壓力的影響

本節(jié)的熱態(tài)試驗條件和3.1 節(jié)的冷態(tài)試驗條件完全一致。本試驗先對不同工況下10Hz 的爆轟波壓力曲線進行研究。

圖4 在不同位置安裝噴嘴，頻率10Hz 的壓力-時間曲線Fig.4 Pressure profiles of 10Hz at different nozzle positions

表2 不同位置的噴嘴對爆轟波速度的影響Table 2 Velocities of the detonation wave with different nozzle positions

圖4 為在3 種不同位置安裝噴嘴時，PDE 出口測得的壓力-時間曲線。表2 為不同工況下PDE 內(nèi)爆轟波速度。判定爆轟波是否形成的關(guān)鍵依據(jù)之一就是爆轟波的峰值壓力。根據(jù)本試驗工況計算得出的爆轟波理論壓力峰值為4MPa，傳播速度在1800m/s。從圖 4 和表 2 可以看出，噴嘴安裝在文氏管喉部時，發(fā)動機工作很穩(wěn)定，管內(nèi)測得的壓力峰值在4.7 ～5.0MPa 之間且波陣面很陡，爆轟波傳播速度為1252m/s； 噴嘴安裝在文氏管擴張段時，管內(nèi)測得的壓力峰值在3.6 ～4.0MPa 之間，比噴嘴安裝在文氏管喉部測得的爆轟波壓力峰值低大約1.0MPa，爆轟波傳播速度為1121m/s；噴嘴安裝在文氏管入口時，爆轟波傳播速度為954m/s，管內(nèi)測得的壓力峰值在1.1 ～3.0MPa 之間且浮動很大，部分時刻未能起爆，發(fā)動機工作時不太穩(wěn)定。

圖5 為在3 種不同位置安裝噴嘴時，PDE 按最高頻率工作時出口測得的壓力-時間曲線。從圖5 和表2 可以看出，噴嘴安裝在文氏管喉部時，發(fā)動機能以30Hz 穩(wěn)定地工作，管內(nèi)測得的壓力峰值在3.2 ～3.5MPa 之間且波陣面很陡，爆轟波傳播速度為1 215m/s，可以認定完全起爆；噴嘴安裝在文氏管擴張段時，發(fā)動機以20Hz 的頻率工作，管內(nèi)測得的壓力峰值在1. 6 ～3. 3MPa 之間，爆轟波傳播速度為1145m/s，部分時刻未能完全起爆； 噴嘴安裝在文氏管擴張段時，發(fā)動機以15Hz 的頻率工作，管內(nèi)測得的壓力峰值在0.9 ～2.0MPa 之間，爆轟波傳播速度為849m/s，都未能完全起爆。

圖5 在不同位置安裝噴嘴，最高頻率的壓力/時間曲線Fig.5 Pressure profiles of the highest frequency at different nozzle positions

結(jié)合3.1 節(jié)的霧化混合結(jié)果可以得知：霧化混合對脈沖爆轟發(fā)動機的爆燃轉(zhuǎn)爆轟過程有重要的影響。當噴嘴安裝在文氏管喉部時，霧化混合效果最佳，液滴尺寸較小，能較快蒸發(fā)，形成均勻的可爆混合物，能較容易地爆燃轉(zhuǎn)爆轟，并且能充分燃燒，釋放出更多的能量來提高爆轟波峰值壓力；當噴嘴安裝在文氏管擴張段時，霧化混合效果稍差，有較多的大尺寸液滴，在爆燃轉(zhuǎn)爆轟過程中蒸發(fā)速度較慢，未能完全燃燒，壓力峰值偏低；當噴嘴安裝在文氏管入口時，霧化混合效果最差，液滴尺寸呈現(xiàn)明顯的雙峰分布，小尺寸的液滴能快速燃燒，而大尺寸的液滴燃燒較慢，產(chǎn)生的能量不足以維持爆轟的進行，造成了發(fā)動機工作不穩(wěn)定。當PDE 進行高頻試驗時，霧化混合效果好的可爆混合物更能充分燃燒，更容易爆燃轉(zhuǎn)爆轟。

4 結(jié) 論

通過對文氏管內(nèi)不同位置安裝噴嘴的脈沖爆轟發(fā)動機的試驗研究，結(jié)果表明：

(1) 文氏管喉部安裝噴嘴的PDE 霧化混合效果最好，擴張段安裝噴嘴的霧化混合效果次之，入口處安裝噴嘴的霧化混合效果次之；

(2) 文氏管喉部安裝噴嘴的PDE 爆轟波峰值壓力最大，能在30Hz 的頻率下穩(wěn)定工作；

(3) 在試驗范圍內(nèi)，改善霧化混合效果有利于提高PDE 的工作頻率。

試驗結(jié)果為脈沖爆轟發(fā)動機的機理研究以及提高其工作頻率具有參考價值。

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