脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)兩點(diǎn)點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)研究

白橋棟，翁春生，許桂陽(yáng)，楊建魯，黃孝龍

(南京理工大學(xué) 瞬態(tài)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210094)

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脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)兩點(diǎn)點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)研究

白橋棟，翁春生，許桂陽(yáng)，楊建魯，黃孝龍

(南京理工大學(xué) 瞬態(tài)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210094)

為研究?jī)牲c(diǎn)點(diǎn)火對(duì)脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)爆轟波起爆及傳播的影響，開(kāi)展了脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)兩點(diǎn)點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩點(diǎn)點(diǎn)火能有效促進(jìn)脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)爆轟的形成，能大幅提高爆轟波的峰值壓力及爆轟波傳播的速度。當(dāng)兩點(diǎn)點(diǎn)火源距離為260 mm時(shí)，兩點(diǎn)點(diǎn)火時(shí)間間隔必須大于0.47 ms，爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)才能形成促進(jìn)爆轟發(fā)生的有利條件；適當(dāng)增大兩點(diǎn)點(diǎn)火的時(shí)間間隔能縮短緩燃轉(zhuǎn)爆轟的距離，緩燃轉(zhuǎn)爆轟的距離從590 mm縮短至420 mm。

兩點(diǎn)點(diǎn)火；緩燃轉(zhuǎn)爆轟；爆轟波；脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)

0 引言

在最近10多年中，爆轟推進(jìn)技術(shù)受到廣泛關(guān)注，其中研究最多的屬脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)。在脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)研究過(guò)程中，快速點(diǎn)火起爆及實(shí)現(xiàn)短距離內(nèi)緩燃轉(zhuǎn)爆轟(Deflagration to Detonation Transition, DDT)過(guò)程是關(guān)鍵技術(shù)。爆轟波可通過(guò)直接起爆或緩燃轉(zhuǎn)爆轟得到，由于液態(tài)燃料直接起爆所需能量巨大(可達(dá)MJ級(jí)別)，因而實(shí)際脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的起爆一般都采用緩燃轉(zhuǎn)爆轟方式。實(shí)現(xiàn)DDT過(guò)程最常用的方式主要有在爆轟管內(nèi)安裝障礙物(Shchelkin螺旋裝置、擾流器、有孔擋板等)來(lái)增加火焰?zhèn)鞑サ乃俾蕪亩龠M(jìn)爆轟的形成[1-5]；還有采用預(yù)爆轟方式點(diǎn)火[6-7]以及射流點(diǎn)火方式[8]以達(dá)到縮短緩燃轉(zhuǎn)爆轟距離的目的。

除此之外，采用多點(diǎn)點(diǎn)火方式也是實(shí)現(xiàn)快速起爆及縮短緩燃轉(zhuǎn)爆轟距離的一個(gè)有效方法。Frolov[9-10]采用兩點(diǎn)點(diǎn)火對(duì)光滑爆轟管內(nèi)氣相和液相混合物進(jìn)行了點(diǎn)火起爆實(shí)驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)，在合適的點(diǎn)火時(shí)機(jī)觸發(fā)下，兩點(diǎn)點(diǎn)火能縮短緩燃轉(zhuǎn)爆轟的距離，兩點(diǎn)點(diǎn)火成功起爆所需的總能量顯著小于單點(diǎn)點(diǎn)火起爆的能量。Sinibaldi等[11]采用2個(gè)瞬態(tài)等離子點(diǎn)火器進(jìn)行縮短DDT時(shí)間和距離的研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)相對(duì)電容火花點(diǎn)火，雙等離子點(diǎn)火能夠縮短DDT時(shí)間6 ms，縮短DDT距離170 mm。

國(guó)內(nèi)在多點(diǎn)點(diǎn)火引爆爆轟波研究方面主要集中于數(shù)值研究，王治武等[12]對(duì)不同間距、不同點(diǎn)火間隔時(shí)間的兩點(diǎn)火源點(diǎn)火起爆過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明兩點(diǎn)點(diǎn)火的時(shí)間間隔在一定范圍之內(nèi)時(shí)，有利于爆轟起爆。董剛等[13]數(shù)值研究了多點(diǎn)連續(xù)點(diǎn)火誘導(dǎo)氫氣-空氣預(yù)混合氣體的爆轟過(guò)程。計(jì)算結(jié)果表明，點(diǎn)火時(shí)序的變化可顯著影響預(yù)混氣的爆轟引發(fā)特性，適當(dāng)?shù)募铀龠B續(xù)點(diǎn)火過(guò)程可以誘導(dǎo)爆轟的形成，并能縮短緩燃轉(zhuǎn)爆轟的時(shí)間和距離。

綜上所述，通過(guò)控制多點(diǎn)點(diǎn)火的點(diǎn)火時(shí)機(jī)及調(diào)整點(diǎn)火源之間的間距能縮短DDT的時(shí)間和距離，這對(duì)脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工程應(yīng)用具有較大的應(yīng)用價(jià)值。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)多點(diǎn)點(diǎn)火的實(shí)驗(yàn)研究偏少，因此本文開(kāi)展了脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)兩點(diǎn)點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)研究，主要研究?jī)牲c(diǎn)點(diǎn)火對(duì)起爆過(guò)程及爆轟波參數(shù)的影響，其目的是為縮短緩燃轉(zhuǎn)爆轟的距離，研究結(jié)果可為脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的工程研制提供有益的指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)兩點(diǎn)點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括燃料/氧化劑供給系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置。圖1是兩點(diǎn)點(diǎn)火脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。

圖1 兩點(diǎn)點(diǎn)火脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagram of pulse detonation engine by two ignition sources

脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室直徑80 mm。點(diǎn)火系統(tǒng)包括信號(hào)發(fā)生器、點(diǎn)火發(fā)生器及點(diǎn)火頭。2個(gè)點(diǎn)火頭位置距離發(fā)動(dòng)機(jī)封閉端距離依次為300 mm和560 mm，2個(gè)點(diǎn)火頭之間的點(diǎn)火時(shí)間間隔通過(guò)信號(hào)發(fā)生器控制。氧化劑為壓縮空氣，空氣通過(guò)在爆轟管壁上的小孔噴射入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，采用切向進(jìn)氣方式，這樣可改善燃油霧化和摻混性能，通過(guò)調(diào)節(jié)瓶口減壓閥出口壓力控制進(jìn)氣流量；燃料采用汽油，通過(guò)擠壓方式供油，燃油通過(guò)直射式噴嘴噴射。爆轟管壁上布置了7個(gè)PCB高頻響動(dòng)態(tài)壓力傳感器，距離發(fā)動(dòng)機(jī)封閉端距離依次為490、630、910、1 080、1 280、1 480、1 630 mm(下文中分別以PT1，PT2，…，PT7表示)，壓力數(shù)據(jù)通過(guò)NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集。脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)安裝了環(huán)形擾流片來(lái)強(qiáng)化燃燒，擾流片之間的間距為80 mm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為研究?jī)牲c(diǎn)點(diǎn)火對(duì)起爆過(guò)程及爆轟參數(shù)的影響，本文分別對(duì)單點(diǎn)點(diǎn)火及不同時(shí)間間隔兩點(diǎn)點(diǎn)火的脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，兩者的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相同，脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)氧化劑/燃料填充條件也相同；點(diǎn)火器單點(diǎn)點(diǎn)火或兩點(diǎn)點(diǎn)火通過(guò)信號(hào)發(fā)生器控制，單點(diǎn)點(diǎn)火時(shí)點(diǎn)火位置距發(fā)動(dòng)機(jī)封閉端為300 mm，兩點(diǎn)點(diǎn)火時(shí)靠近發(fā)動(dòng)機(jī)封閉端的點(diǎn)火位置先點(diǎn)火，第二個(gè)點(diǎn)火位置在設(shè)定的時(shí)間間隔Δt后開(kāi)始點(diǎn)火。

2.1 單點(diǎn)點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

首先進(jìn)行了脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)單點(diǎn)點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作頻率為10 Hz。圖2為單點(diǎn)點(diǎn)火時(shí)不同位置處單個(gè)脈沖周期內(nèi)壓力曲線圖。

(a)PT1～PT3

(b)PT4～PT7

由圖2可知，在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火之后，靠近點(diǎn)火區(qū)域的油氣混合物迅速點(diǎn)燃，反應(yīng)物燃燒釋放熱量形成向右傳播的激波，在此區(qū)域內(nèi)釋放能量較大，因而靠近此區(qū)域的壓力較高，PT1和PT2處的壓力峰值分別為1.1 MPa和1.2 MPa，PT3處的壓力峰值達(dá)到5.3 MPa。隨著激波向管口傳播，激波強(qiáng)度不斷減弱，其壓力逐漸降低，PT5、PT6和PT7上的壓力峰值均降至1 MPa以下，PT7上的壓力只有0.6 MPa左右。激波通過(guò)各傳感器位置的速度可由下面的公式求得

(1)

式中xPTN為第N(N=4，5，6，7)個(gè)傳感器距發(fā)動(dòng)機(jī)封閉端的距離；tPTN為激波到達(dá)第N個(gè)傳感器的時(shí)間。

通過(guò)式(1)計(jì)算得到不同位置上的速度依次為1 067.1、944.0、866.1、830.7 m/s，可知激波傳播速度也是逐漸減慢。本次實(shí)驗(yàn)中當(dāng)量比為0.9，根據(jù)CEA計(jì)算的結(jié)果，此時(shí)爆轟波的速度為1 759.7 m/s，因而可判斷在本次實(shí)驗(yàn)條件下，單點(diǎn)點(diǎn)火在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)只是形成了爆燃，未能形成爆轟波。

在本文試驗(yàn)中，爆轟是通過(guò)緩燃向爆轟轉(zhuǎn)變的間接方式得到。根據(jù)Lee的理論[14]，在轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z波之前，火焰面的傳播速度要經(jīng)過(guò)一段持續(xù)增大的過(guò)程，當(dāng)達(dá)到適當(dāng)?shù)木植織l件時(shí)就會(huì)觸發(fā)爆轟的發(fā)生。但在本文單點(diǎn)點(diǎn)火條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)火焰面?zhèn)鞑ニ俣瘸掷m(xù)降低(本文中實(shí)際測(cè)出的是激波傳播速度，由于在未形成爆轟之前，火焰面是落后于激波陣面的，即火焰?zhèn)鞑ニ俣刃∮诩げㄋ俣?，因而導(dǎo)致未能形成爆轟。

此種情況不能產(chǎn)生爆轟的原因主要是在單點(diǎn)點(diǎn)火時(shí)，燃燒釋放的熱量不能為點(diǎn)火產(chǎn)生的激波傳播提供充分的能量，導(dǎo)致激波與燃燒波陣面的距離逐漸增大，激波的強(qiáng)度逐漸衰減，其傳播的速度也是逐漸降低，因而不能產(chǎn)生爆轟。

2.2 兩點(diǎn)點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

兩點(diǎn)點(diǎn)火的脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)條件與單點(diǎn)點(diǎn)火時(shí)相同，2個(gè)點(diǎn)火源之間的間距為260 mm，點(diǎn)火時(shí)間間隔Δt分別為0.14、0.28、0.42、0.56、0.70、0.84、0.98、1.12、1.68、2.24 ms。表1給出了不同時(shí)間間隔下兩點(diǎn)點(diǎn)火時(shí)爆轟管不同位置處的壓力及速度參數(shù)。

表1 不同點(diǎn)火條件下的壓力峰值及速度值Table 1 Pressure peak value and velocity value at different ignition conditions

圖3和圖4(a)分別為點(diǎn)火間隔為0.14 ms時(shí)不同位置上的壓力曲線及單個(gè)爆轟周期內(nèi)的壓力曲線。從中可看出，各個(gè)傳感器位置上的壓力峰值較單點(diǎn)點(diǎn)火有較大幅度提高，但其速度提高較小，發(fā)動(dòng)機(jī)尾部激波傳播速度在1 000 m/s左右?？梢耘卸ㄔ谶@種情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)還未形成充分發(fā)展的爆轟波。同樣，點(diǎn)火間隔為0.28 ms(圖4(b))和0.42 ms時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的壓力及波速都與間隔為0.14 ms時(shí)類(lèi)似，說(shuō)明在上述情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)未形成充分發(fā)展的爆轟波。

在單點(diǎn)點(diǎn)火時(shí)，通過(guò)分析可得到點(diǎn)火產(chǎn)生的壓縮波到達(dá)PT1和PT2之間的時(shí)間間隔約為0.3 ms(定義壓力升至該壓力傳感器測(cè)得的壓力最高值的10%時(shí)的時(shí)間為壓縮波陣面到達(dá)該處的時(shí)間)，由式(1)可知壓縮波在2個(gè)點(diǎn)火源之間的傳播速度約為550 m/s，據(jù)此可大致計(jì)算出壓縮波在2個(gè)點(diǎn)火源之間傳播的時(shí)間為0.47 ms。當(dāng)兩點(diǎn)點(diǎn)火時(shí)間間隔小于此時(shí)間時(shí)，由于點(diǎn)火時(shí)機(jī)與壓縮波陣面到達(dá)時(shí)間不匹配，此時(shí)2個(gè)點(diǎn)火源之間點(diǎn)火間隔時(shí)間太短，第一個(gè)點(diǎn)火源點(diǎn)火后產(chǎn)生的壓縮波還未到達(dá)第二個(gè)點(diǎn)火源所在的區(qū)域，第二個(gè)點(diǎn)火源點(diǎn)火后外加的點(diǎn)火能量未能與第一個(gè)點(diǎn)火源產(chǎn)生的燃燒過(guò)程相互耦合，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)未能出現(xiàn)利于爆轟形成的條件。即當(dāng)點(diǎn)火間隔時(shí)間小于0.47 ms時(shí)，在本次實(shí)驗(yàn)條件下采用兩點(diǎn)點(diǎn)火也不能在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)形成穩(wěn)定的爆轟。

圖3 兩點(diǎn)點(diǎn)火不同位置壓力曲線(Δt=0.14 ms)Fig.3 Pressure profile at different positions by two ignition sources (Δt=0.14 ms)

(a)Δt=0.14 ms

(b)Δt=0.28 ms

當(dāng)點(diǎn)火間隔增大至0.56 ms時(shí)，爆轟管內(nèi)壓力變化不大(見(jiàn)圖5(a))，但是爆轟波的傳度速度較之前面幾種情況增大了近1倍，在爆轟管的尾部，爆轟波速度已超過(guò)1 700 m/s。當(dāng)繼續(xù)增大兩點(diǎn)點(diǎn)火之間的時(shí)間間隔時(shí)(圖5(b)、(c))，實(shí)驗(yàn)測(cè)得脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)各傳感器位置處的平均壓力峰值均大致相同，PT3之后的傳感器上的峰值壓力都超過(guò)3 MPa(見(jiàn)圖6(b))，可以判定此種情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)產(chǎn)生了穩(wěn)定的爆轟波。

由前面的分析可知，當(dāng)兩點(diǎn)點(diǎn)火源之間距離一定且點(diǎn)火時(shí)間間隔超過(guò)某一臨界值后(本次實(shí)驗(yàn)中為0.47 ms)，第一個(gè)點(diǎn)火源產(chǎn)生的壓縮波已傳過(guò)第二個(gè)點(diǎn)火源的點(diǎn)火區(qū)域，在此壓縮波作用下，第二個(gè)點(diǎn)火區(qū)域內(nèi)反應(yīng)混合物的溫度、壓力和密度升高，由于燃燒火焰陣面?zhèn)鞑サ乃俣刃∮趬嚎s波的傳播速度，此時(shí)該區(qū)域內(nèi)的混合物并未被點(diǎn)燃；在第二個(gè)點(diǎn)火源點(diǎn)火后，將形成一道更強(qiáng)的壓縮波向發(fā)動(dòng)機(jī)管口傳播，此壓縮波的強(qiáng)度超過(guò)第一個(gè)點(diǎn)火源所產(chǎn)生的壓縮波，這些強(qiáng)壓縮波在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)會(huì)疊加成火焰前方的前導(dǎo)激波，從而能誘導(dǎo)爆轟的產(chǎn)生。

圖7為不同點(diǎn)火間隔時(shí)不同位置上爆轟波的傳播速度。點(diǎn)火后，火焰加速過(guò)程有一個(gè)緩慢的加速過(guò)程，在PT1和PT2之前，由于點(diǎn)火后產(chǎn)生的壓縮波傳播速度一般小于500 m/s，在點(diǎn)火源附近區(qū)域火焰鋒面的傳播落后于壓縮波，可知火焰鋒面的傳播速度也是小于500 m/s；之后火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u增加，在未形成爆轟的情況下，其火焰陣面的傳播速度也是小于1 000 m/s(見(jiàn)圖7(a))；在爆轟發(fā)生前，火焰波的傳播速度往往有一個(gè)急劇的加速過(guò)程(見(jiàn)圖7(b))，爆轟形成之后，火焰陣面與前導(dǎo)激波耦合，可認(rèn)為此時(shí)火焰陣面速度和激波速度相等，速度趨于穩(wěn)定，其速度在1 700～2 000 m/s。從圖7(b)還可知，在點(diǎn)火時(shí)間間隔大于0.56 ms且小于1.68 ms時(shí)，爆轟波速度在PT3和PT4之間發(fā)生急劇增大，即在PT3和PT4之間完成緩燃轉(zhuǎn)爆轟過(guò)程，此時(shí)緩燃轉(zhuǎn)爆轟的距離小于590 mm；當(dāng)點(diǎn)火時(shí)間間隔大于1.68 ms時(shí)，在PT2和PT3之間已完成緩燃轉(zhuǎn)爆轟過(guò)程，即緩燃轉(zhuǎn)爆轟的距離小于420 mm，說(shuō)明當(dāng)點(diǎn)火時(shí)間間隔適當(dāng)增大之后，能縮短緩燃轉(zhuǎn)爆轟的距離。

(a)Δt=0.56 ms (b)Δt=1.12 ms (c)Δt=1.68 ms

圖5 兩點(diǎn)點(diǎn)火時(shí)不同位置單個(gè)周期內(nèi)壓力曲線

Fig.5 Pressure profile at different positions in a single cycle by two ignition sources

(a)未形成爆轟

(b)形成爆轟

(a)未形成爆轟

(b)形成爆轟

3 結(jié)論

(1)兩點(diǎn)點(diǎn)火能強(qiáng)化脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的起爆過(guò)程，促進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)爆轟波的形成；能有效縮短脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)緩燃轉(zhuǎn)爆轟的距離。

(2)兩點(diǎn)點(diǎn)火的時(shí)間間隔對(duì)爆轟的形成有重要影響，當(dāng)兩點(diǎn)點(diǎn)火源距離一定，點(diǎn)火間隔時(shí)間需大于某一臨界值，亦即只有當(dāng)?shù)诙€(gè)點(diǎn)火源點(diǎn)火時(shí)刻在第一個(gè)點(diǎn)火源點(diǎn)火產(chǎn)生的壓力波陣面到達(dá)之后時(shí)，才能形成有利于爆轟形成的條件。

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(編輯：呂耀輝)

Experimental study of ignition in pulse detonation engine by two ignition sources

BAI Qiao-dong,WENG Chun-sheng,XU Gui-yang,YANG Jian-lu,HUANG Xiao-long

(Key Laboratory of Transit Physics, Nanjing University of Science & Technology,Nanjing 210094)

To investigate the effects of two ignition sources in pulse detonation engine on the propagation of detonation wave,the ignition and propagation of detonation waves in pulse detonation engine were studied experimentally.The experimental results show that two ignition sources in pulse detonation engine can induce the formation of detonation wave.When the distance between the two ignition sources was 260 mm,the ignition time interval between the two ignition sources must be larger than a critical value (0.47 ms),the detonation wave can be formed in the pulse detonation engine.The distance of deflagration to detonation transition (DDT) can be shortened by increasing the time interval between the two ignition sources,the DDT run-up distance was shortened from 590 mm to 420 mm.

two ignition sources;deflagration to detonation transition;detonation wave;pulse detonation engine

2015-01-21；

：2015-03-07。

國(guó)家自然科學(xué)基金(11472138)。

白橋棟(1979—)，男，博士，研究方向?yàn)楸Z推進(jìn)技術(shù)。E-mail:qd_bai@126.com

V439

A

1006-2793(2015)06-0821-06

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.06.013