吸氣式PDE點火室引入氧氣的試驗研究

胡焰彬，翁春生，白橋棟，楊建魯，黃孝龍

(南京理工大學 瞬態(tài)物理國家重點實驗室，南京 210094)

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吸氣式PDE點火室引入氧氣的試驗研究

胡焰彬，翁春生，白橋棟，楊建魯，黃孝龍

(南京理工大學 瞬態(tài)物理國家重點實驗室，南京 210094)

為了改善吸氣式脈沖爆轟發(fā)動機的爆轟效果，在發(fā)動機的點火室內(nèi)引入了氧氣，并開展了系列試驗研究，研究結果表明，點火室內(nèi)引入氧氣，提高了吸氣式PDE的爆轟波壓力與傳播速度，縮短了點火起爆的時間，增加了發(fā)動機的平均推力，簡化了發(fā)動機內(nèi)的強化燃燒裝置。與純空氣狀況相比，爆轟波壓力最大增加了1.28倍、爆轟波傳播速度與發(fā)動機平均推力的最大增幅分別為69.57%和62.84%，點火起爆時間則相應減少了36.47%。點火室引入的氧氣量存在臨界值，小于臨界值時隨著引入氧氣量的提高，發(fā)動機爆轟效果的改善越顯著；大于臨界值時，發(fā)動機會形成連續(xù)燃燒。

吸氣式脈沖爆轟發(fā)動機；點火室；氧含量；燃燒轉(zhuǎn)爆轟；平均推力；試驗研究

0 引言

脈沖爆轟發(fā)動機(Pulse Detonation Engine，簡稱PDE)的起爆方式主要分為直接起爆和間接起爆?？紤]到PDE在實際推進系統(tǒng)中的應用，就需要使用具有更高能量密度和安全存儲性能的液體燃料[1]。此時，直接起爆所需的點火能量很大(>106J)，難以實現(xiàn)[2]。因此，在實際應用中，需采用較低的點火能量，通過燃燒轉(zhuǎn)爆轟(Deflagration to Detonation Transition，簡稱DDT)的轉(zhuǎn)變方式來完成起爆過程。對于液體燃料，DDT長度可達米的數(shù)量級[3]，因而采用各種措施來縮短PDE的DDT時間和距離顯得十分必要。

常見的縮短DDT時間和距離的方法主要是在爆轟室內(nèi)安裝各種強化燃燒裝置，如多管蒸發(fā)助爆器[4]、摻混器[5]、Shchelkin螺旋[6]、圓環(huán)形擾流片[7]等。Lee等[8]在寬為45 mm的方管內(nèi)安裝圓形平板障礙物，實現(xiàn)了乙烯/空氣混合物的DDT過程。實驗發(fā)現(xiàn)，圓形平板障礙物堵塞比在0.3～0.6之間時，能有效地提高爆轟室內(nèi)的紊流強度，促進火焰加速。嚴傳俊等[9]設計了3種不同截面(半圓形、方形和三角形)的凹入式螺旋增爆器，在長徑比為12.17的爆轟室內(nèi)均獲得了充分發(fā)展的爆轟波, 實現(xiàn)了DDT過程。Witt等[10]在爆轟室內(nèi)強化燃燒裝置下游一定距離處，安裝了平板和環(huán)形孔板組合或圓錐體和環(huán)形孔板組合的2種強化激波反射裝置，利用激波反射的手段成功觸發(fā)了爆轟。實驗表明，激波反射裝置有利于由加速火焰產(chǎn)生的激波反射聚焦，強化的激波在局部產(chǎn)生過驅(qū)爆轟波，縮短DDT的距離和時間。強化燃燒裝置的使用，可起到提高紊流強度、加快火焰?zhèn)鞑ニ俣纫约皬娀紵淖饔?，對縮短DDT的時間和距離有利，但強化燃燒裝置帶來的總壓損失，一方面會降低PDE的填充速度，另一方面也會降低燃氣做功能力，造成推力下降。Cooper等[11]的研究結果表明，使用堵塞比為43%的擾流裝置，在使得DDT時間平均降低65%的同時，也會使發(fā)動機的推力下降25%。此外，翁春生等[12]通過實驗發(fā)現(xiàn)，壓縮氣體中含氧量的變化對爆轟波壓力有較大影響，在壓縮氣體中適當提高氧氣含量，能顯著促進爆轟的轉(zhuǎn)變。

本文在前人研究基礎上，通過在吸氣式PDE點火室的凹槽內(nèi)引入氧氣，結合實驗手段，研究其對吸氣式PDE性能的影響。

1 試驗系統(tǒng)及測試方案

1.1 吸氣式脈沖爆轟發(fā)動機試驗系統(tǒng)

吸氣式脈沖爆轟發(fā)動機的整體試驗系統(tǒng)如圖1所示，主要包括吸氣式脈沖爆轟發(fā)動機本體、供氣系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、點火控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。吸氣式脈沖爆轟發(fā)動機由進氣道、進氣閥、混合室、點火室及爆轟室組成，內(nèi)徑為80 mm。爆轟室內(nèi)裝有12片擾流片(堵塞比為41.27%)和激波反射器，用于增加管內(nèi)氣體紊流強度，確保爆轟的形成。供氣系統(tǒng)由羅茨風機作為氣源，通過供氣管道和特定的噴口流出氣流，供氣壓力在0～0.07 MPa之間可調(diào)。供油系統(tǒng)包括儲油罐、供油管道及微細霧化噴嘴，可通過調(diào)節(jié)供油壓力來改變?nèi)加土髁?。點火控制系統(tǒng)包括點火控制器和點火頭。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括冷卻裝置、動態(tài)壓力傳感器、數(shù)據(jù)傳輸線及數(shù)據(jù)處理終端。

1.2 點火室引入氧氣裝置及增氧含量系數(shù)

圖2為吸氣式PDE點火室的結構示意圖，其內(nèi)部結構主要包括半V型鈍體和凹槽，當高速混氣流經(jīng)點火室時，會在凹槽內(nèi)形成低速氣流區(qū)，確保點火成功率。點火室凹槽的側壁上開有φ10 mm的徑向通孔，與點火頭成45°角，可供引入氧氣。

試驗中，PDE的進氣總溫為340 K，進氣壓力為0.015 MPa，采用風速計測得發(fā)動機尾部出口氣流速度，根據(jù)爆轟室內(nèi)徑，可計算出流經(jīng)PDE的空氣質(zhì)量流量。采用高壓氣瓶作為氣源，為發(fā)動機點火室提供氧氣，通過調(diào)節(jié)高壓氣瓶減壓閥的出口壓力值以及安裝在供氣管路上的氣體質(zhì)量流量計，可即時測量流經(jīng)管路的氧氣質(zhì)量流量。定義流入點火室凹槽的氧氣質(zhì)量流量與流經(jīng)PDE的空氣質(zhì)量流量的比值為增氧含量系數(shù)β。

圖1 吸氣式脈沖爆轟發(fā)動機試驗裝置示意圖

圖2 點火室結構示意圖

1.3 壓力測試方案

試驗中，采用動態(tài)壓力傳感器對脈沖爆轟發(fā)動機沿程各處的壓力進行測量，如圖1所示。動態(tài)壓力傳感器P0位于推力壁附近，點火位置之前，距點火位置100 mm，用于測量發(fā)動機推力壁附近的壓力變化。動態(tài)壓力傳感器P1和P2位于激波反射器之后，分別距點火位置1 300 mm和1 380 mm，用于測量爆轟室內(nèi)的燃燒波壓力及傳播速度。

2 試驗結果及其分析

2.1 不同增氧含量系數(shù)下吸氣式PDE的試驗結果

以汽油為燃料，采用微細霧化噴嘴與中心錐鱗片閥的組合結構，在進氣壓力0.015 MPa、進油壓力0.6 MPa、點火頻率10 Hz工況下，獲得了各種增氧含量系數(shù)β下吸氣式PDE穩(wěn)定的工作過程。圖3(a)、(b)分別為增氧含量系數(shù)β=0和β=6%時，動態(tài)壓力傳感器P2測得的壓力曲線。

為了保證試驗的可靠性，每個組別的試驗均重復多次，選取穩(wěn)定工作數(shù)據(jù)的平均值作為測量值。改變點火室引入的氧氣量，獲得了不同增氧含量系數(shù)β下吸氣式PDE的各爆轟參數(shù)，如表1所示。

表1中，p2為動態(tài)壓力傳感器P2測得的壓力曲線峰值的平均值；v為根據(jù)P1與P2兩測壓點之間的距離以及燃燒波到達各測壓點的時間差，計算出的燃燒波在兩測壓點之間傳播的平均速度[13]。對于兩相爆轟過程而言，存在著燃油霧化、摻混及混氣分布等因素的影響，爆轟波傳播速度可能會比CJ爆轟波速度低700～800 m/s[14]。此外，動態(tài)壓力傳感器P2測得的壓力曲線上升沿陡峭，約為幾至十幾微秒。因此，可認為表1中所列工況下的試驗均獲得了成功起爆。

(a)β=0

(b)β=6%

從表1可看出，點火室凹槽內(nèi)引入氧氣后，吸氣式PDE的爆轟效果得到了明顯改善，且隨著增氧含量系數(shù)β的提高，爆轟效果的改善越顯著。當增氧含量系數(shù)β=6%時，爆轟波壓力p2可達純空氣狀況下的2.28倍，爆轟波的平均傳播速度v也提高了69.57%。這是由于吸氣式PDE采用的是連續(xù)供油方式，且進油壓力遠大于進氣壓力，會造成供油提前和停止供油滯后[15]。在此情況下，提高氧化劑中的含氧量，能使燃料燃燒的更加充分，反應釋放出更多的熱量來維持爆轟的進行，因而爆轟波的峰值壓力也會增加。在試驗中，如果繼續(xù)增大增氧含量系數(shù)β至8%時，由于氧化劑中的氧氣含量大大增加，且其化學性質(zhì)很活潑，在發(fā)動機內(nèi)部高溫高壓氣體作用下，很容易發(fā)生提前燃燒，此時在PDE尾部會產(chǎn)生持續(xù)燃燒火焰，無法形成爆轟。

表1 不同增氧含量系數(shù)下的各爆轟參數(shù)

定義PDE的點火起爆時間[16]tig-det為從點火頭接收到點火信號開始，到壓力波形p2上升沿上壓力值為壓力峰值98%對應的時刻為止[13]，包括點火延遲時間tdelay和燃燒轉(zhuǎn)爆轟時間tDDT，如圖4所示。圖5為不同增氧含量系數(shù)β下的點火起爆時間。從圖5中可看出，隨著增氧含量系數(shù)β的增加，PDE的點火起爆時間tig-det會隨之減少，當增氧含量系數(shù)β為6%時，與純空氣狀況下相比，PDE的點火起爆時間tig-det降低了36.47%。圖4中，點火延遲時間tdelay為6.08 ms，而點火延遲時間主要受點火能量與工作頻率的影響[17]，在相同的點火能量和工作頻率下，點火延遲時間tdelay是幾乎相同的。因此，點火起爆時間tig-det的縮短，也意味著PDE的燃燒轉(zhuǎn)爆轟時間tDDT也在縮短。在點火室引入氧氣后，會在點火頭附近形成一個含氧量相對較高的區(qū)域，氧化劑中含氧量的增加，能降低燃油混氣的燃點溫度，使得混氣更早地被點燃。與此同時，氧化劑中含氧量的增加，提高了混氣燃燒的速度、強度及傳熱效率，從而進一步加快了DDT過程的完成。

圖4 燃燒轉(zhuǎn)爆轟時間示意圖

圖5 不同增氧含量系數(shù)下的點火起爆時間

圖6(a)、(b)分別為增氧含量系數(shù)β=0和β=6%時，動態(tài)壓力傳感器P0測得的吸氣式PDE推力壁附近壓力曲線的局部放大圖。從圖6中可看到，無論增氧含量系數(shù)β=0或β=6%，推力壁壓力曲線均有多個明顯的壓力波動過程。這是由于壓縮波在擾流片與激波反射器之間不斷被反射、疊加，形成了多道激波，向上游傳播以及爆轟波形成后，產(chǎn)生回爆波[18]，向上游傳播導致的結果。

(a)β=0

(b)β=6%

在PDE出口為直管的條件下，推力壁壓力值與推力壁面積(7 850 mm2)相乘，可得到吸氣式PDE推力壁處的瞬態(tài)推力，瞬態(tài)推力對時間積分，并取時間平均值，即為發(fā)動機推力壁壓力曲線積分法得到的平均推力，簡稱平均推力[2]。圖7為吸氣式PDE的推力壁壓力峰值p0及多循環(huán)工況下平均推力Fave隨增氧含量系數(shù)β的變化規(guī)律。由圖7可看出，隨著增氧含量系數(shù)β的增加，吸氣式PDE的推力壁壓力峰值和平均推力也隨之增加，當增氧含量系數(shù)β=6%時，推力壁壓力峰值和平均推力分別增加了53.02%和62.84%。這是因為隨著增氧含量系數(shù)β的增加，混氣燃燒的速度、強度以及傳熱效率都隨之提高，點火初期形成的壓縮波、經(jīng)擾流片與激波反射器加強后的激波以及回傳的爆轟波都得到了增強，從而造成了推力壁壓力峰值和發(fā)動機的平均推力均隨之增加。

圖7 吸氣式PDE的推力壁壓力峰值及平均推力隨增氧含量系數(shù)的變化規(guī)律

2.2 減少強化燃燒裝置的試驗結果

鑒于點火室凹槽內(nèi)引入氧氣能有效地改善吸氣式PDE的爆轟效果，特進行了減少發(fā)動機內(nèi)強化燃燒裝置的試驗研究。圖8為減少強化燃燒裝置后的吸氣式脈沖爆轟發(fā)動機本體。與圖1中的APDE結構相比，去除了激波反射器，擾流片數(shù)量也減少至7片。動態(tài)壓力傳感器P3、P4均位于擾流片之后，分別距點火位置780 mm和860 mm。

圖8 減少強化燃燒裝置后的吸氣式PDE示意圖

在進氣壓力0.015 MPa、進油壓力0.6 MPa、點火頻率10 Hz工況下，獲得了增氧含量系數(shù)β分別為0和7%的吸氣式PDE穩(wěn)定的工作過程。圖9(a)、(b)分別為增氧含量系數(shù)β=0和β=7%時，動態(tài)壓力傳感器P4測得的壓力曲線。

(a)β=0

(b)β=7%

由圖9可看出，增氧含量系數(shù)β=7%時，動態(tài)壓力傳感器P4測得的平均壓力峰值p4為1.657 MPa，是β=0時p4的4.9倍。增氧含量系數(shù)β=0與β=7%時燃燒波的平均傳播速度分別為579.96 m/s和1 260.67 m/s。因此，可認為增氧含量系數(shù)β=7%時，已經(jīng)形成了穩(wěn)定的爆轟波，而增氧含量系數(shù)β=0時，未能形成爆轟。這表明采用點火室引入氧氣的方法，能減少PDE內(nèi)強化燃燒裝置的使用，從而減少了發(fā)動機工作過程中的內(nèi)部阻力，為進一步提高吸氣式PDE的推力性能提供了基礎。

3 結論

(1)在吸氣式PDE點火室凹槽內(nèi)引入氧氣，能顯著改善發(fā)動機的爆轟效果，提高了PDE的爆轟波峰值壓力和傳播速度，縮短了燃燒轉(zhuǎn)爆轟的時間，增大了發(fā)動機的理論推力；

(2)通過在PDE點火室凹槽內(nèi)引入氧氣，能簡化發(fā)動機內(nèi)強化燃燒裝置的使用，有利于減少發(fā)動機的內(nèi)阻力；

(3)點火室引入氧氣的增氧含量系數(shù)存在臨界值，當大于臨界值時，會造成發(fā)動機的連續(xù)燃燒。

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(編輯：崔賢彬)

Experimental research of oxygen introduced in ignition chamber for air-breathing pulse detonation engine

HU Yan-bin,WENG Chun-sheng,BAI Qiao-dong,YANG Jian-lu,HUANG Xiao-long

(National Key Laboratory of Transient Physics,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

Oxygen was introduced in the ignition chamber in order to improve the detonation performance of the air-breathing pulse detonation engine (APDE).The results show that the increased detonation pressure and spread velocity as well as the shortened ignition-detonation time of ABPDE is acccompanied with the introducing of oxygen supply. Meanwhile,the intensifying combustion device was simplified with an enhanced average thrust force.In contrast to the air supply,the detonation pressure,spread velocity and average thrust force were increased by 128%,69.57% and 62.84%,respectively,whereas the ignition-detonation time was reduced by 36.47%.In fact,there exists a critical value of the increasing oxygen content coefficient,i.e.,detonation performance could be dramatically improved by increasing the O2feed (less than 8%);otherwise,continuous burning would occur.

air-breathing pulse detonation engine (APDE);ignition chamber;oxygen content;deflagration to detonation transition;average thrust force;experimental research

2014-05-29；

2014-07-30。

國家自然科學基金(11372141)，中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項基金(30920130112007)。

胡焰彬(1985—)，男，博士生，研究方向為爆轟推進。E-mail：bingyanhu123@126.com

翁春生(1964—)，教授/博導，研究方向為推進技術。E-mail：wengcs@126.com

V235.22

A

1006-2793(2015)03-0342-05

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.03.008