連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震波傳播模態(tài)試驗*

王 超，劉衛(wèi)東，劉世杰，林志勇，蔣露欣

連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震波傳播模態(tài)試驗*

王 超，劉衛(wèi)東，劉世杰，林志勇，蔣露欣

(國防科技大學(xué) 高超聲速沖壓發(fā)動機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實驗室， 湖南 長沙 410073)

通過保持空氣流量不變、改變H2/air當(dāng)量比開展了連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震對比試驗，發(fā)現(xiàn)隨當(dāng)量比的降低出現(xiàn)三種傳播模態(tài)：在較高的當(dāng)量比(0.90～1.86)下，連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震波以同向傳播模態(tài)傳播；在較低的當(dāng)量比(≈0.75)下，則以雙波對撞模態(tài)傳播；在中間工況，則以上述混合模態(tài)維持傳播。分析了不同傳播模態(tài)下的高頻壓力特征，并初步分析了傳播模態(tài)的轉(zhuǎn)換機(jī)制：當(dāng)量比較高時，爆震強(qiáng)度較高，傳播過程中的損失和速度虧損相對較小，爆震波以同向傳播模態(tài)維持傳播；當(dāng)量比較低時，爆震強(qiáng)度較低，傳播過程中的損失和速度虧損較大，此時無法維持同向傳播模態(tài)，而以雙波對撞模態(tài)傳播，這是由于雙波對撞模態(tài)中的激波對撞產(chǎn)生高溫環(huán)境，有利于燃燒放熱，其可能是連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震的極限傳播模態(tài)。

連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震；同向傳播模態(tài)；雙波對撞模態(tài)；速度虧損；模態(tài)轉(zhuǎn)換

(ScienceandTechnologyonScramjetLaboratory,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,China)

連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震(ContinuousRotatingDetonation,CRD)既有爆震燃燒本身放熱速率快、熱效率高的優(yōu)點(diǎn)，又有工作頻率高、產(chǎn)生推力穩(wěn)定的特點(diǎn)，并有利于發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單緊湊。連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機(jī)通常采用環(huán)形燃燒室，噴注的推進(jìn)劑在燃燒室入口形成可燃混合氣，起爆后形成連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震波沿圓周方向傳播，爆震燃燒的高溫高壓產(chǎn)物向燃燒室出口膨脹加速產(chǎn)生推力[1]。

經(jīng)過半個世紀(jì)的研究，對連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震流場的普遍認(rèn)識為：連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震波在環(huán)形燃燒室內(nèi)高速傳播，爆震波后高溫高壓的燃燒產(chǎn)物使得爆震波后推進(jìn)劑的噴注過程受阻，隨著與爆震波間周向距離的增加，推進(jìn)劑的噴注過程開始恢復(fù)，為下一個周期爆震波的傳播創(chuàng)造條件。爆震波前可燃混合氣的填充、累積和爆震波的傳播都是動態(tài)過程，在爆震燃燒消耗和動態(tài)填充累積的共同作用下，爆震波頭所在位置的可燃混合氣高度達(dá)到最大，形成三角形的可燃混合氣累積區(qū)[2-6]。

目前，大多數(shù)試驗[2, 7]和數(shù)值計算[3, 6-12]的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在同一時刻，環(huán)形燃燒室中的連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震波的傳播方向相同，即同向傳播模態(tài)[13]，爆震波頭個數(shù)則與流量等有關(guān)。

當(dāng)試驗工況發(fā)生改變時，爆震波的傳播特征會有所變化。Bykovskii等[2]開展了大量H2/air推進(jìn)劑組合的連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震試驗，試驗結(jié)果表明，爆震波頭個數(shù)隨著推進(jìn)劑流量的增加而逐漸增加。劉世杰等[13]在大工況范圍內(nèi)開展了H2/air連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震試驗，試驗發(fā)現(xiàn)同向傳播模態(tài)下有三種傳播形式：單波(單個爆震波頭)、雙波(兩個爆震波頭)、混合單波/雙波，爆震波頭個數(shù)隨推進(jìn)劑流量的增加而增加。Dyer等[14]在以H2/air為燃料的連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震試驗中發(fā)現(xiàn)，隨著推進(jìn)劑流量、當(dāng)量比和燃燒室壓力的改變，爆震波可能以單波、雙波的同向傳播模態(tài)，以及單波/雙波/多個波頭的混合模態(tài)傳播，且波頭個數(shù)隨流量增加而增加。Suchocki等[15]在以H2/air(富氧)推進(jìn)劑組合的連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震試驗中發(fā)現(xiàn)，給定當(dāng)量比時，隨著空氣流量的增加，爆震波傳播過程中波頭個數(shù)由單波逐漸變化為混合單波/雙波和雙波。

上述研究中，爆震波均以同向模態(tài)傳播。試驗結(jié)果表明，連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震還有一種不太常見的傳播模態(tài)——雙波對撞傳播模態(tài)。劉世杰等[16]在兩種噴注方式的連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震試驗中發(fā)現(xiàn)了兩個反向傳播的爆震波在燃燒室內(nèi)周期性的對撞現(xiàn)象，且該傳播過程可長時間穩(wěn)定維持。Suchocki等[15]在H2/air推進(jìn)劑組合的連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震試驗中觀測到了兩個沿相反方向傳播并發(fā)生對撞的爆震波，但該現(xiàn)象不能長時間維持。鄭權(quán)等[17]在H2/air連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震試驗中也發(fā)現(xiàn)了短暫的對撞傳播現(xiàn)象。

1 實驗系統(tǒng)介紹

在燃燒室外壁面布置了五個高頻壓力傳感器PCB測點(diǎn)1～5，其中PCB傳感器測點(diǎn)1～4共軸、相鄰測點(diǎn)間隔15mm，PCB測點(diǎn)5與測點(diǎn)3軸向位置相同，但圓周方向間隔45°，PCB1與燃料噴注位置軸向間距40mm。PCB測點(diǎn)1～4均位于面積擴(kuò)張型面上，其中3～4位置基本接近于等直段。燃燒室構(gòu)型與傳感器的布置如圖1所示。PCB傳感器型號為113B24，其頻響大于500kHz，精度為0.035kPa，壓力上升時間小于1.0μs。

圖1 爆震燃燒室構(gòu)型Fig.1 Schematic configuration of detonation combustor

表1 試驗工況與結(jié)果

2 傳播特性分析

2.1 同向傳播模態(tài)

以#6次試驗為例分析同向傳播模態(tài)。#6次試驗布置的PCB測點(diǎn)為1，3，5，其中PCB3、PCB5圓周方向間隔45°。圖2(a)為試驗過程中的高頻壓力，圖2(b)為局部放大圖，如圖所示，壓力峰值達(dá)到了1MPa，壓力序列a1、a2、a3表示爆震波傳播經(jīng)過PCB5，而壓力序列b1、b2、b3則表示爆震波傳播經(jīng)過PCB3，均呈現(xiàn)出較為規(guī)律的周期性。壓力序列a與序列b呈現(xiàn)出間隔交替出現(xiàn)的整體分布特點(diǎn)，即a1—b1—a2—b2—…。整個試驗過程中，高頻壓力特征均與圖2(b)類似。由于a1—b1表示傳播方向為PCB5→PCB3，因此試驗中爆震波始終保持該傳播方向不變。

(a)高頻壓力整體視圖(a) Global view of high-frequency pressure

(b)高頻壓力局部視圖(b) Local view of high-frequency pressure

(c)連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震波傳播頻率分布(c) Propagation frequency distribution of CRD wave

(d)高頻壓力FFT結(jié)果(d) FFT result of high-frequency pressure圖2 #6次試驗高頻壓力分析結(jié)果Fig.2 High-frequency pressure result of test #6

(1)

式中，Do為燃燒室外徑。則#6次試驗中爆震波的傳播速度約為1517m/s。

#7～#10次試驗中，爆震波也均以穩(wěn)定的同向傳播模態(tài)傳播，高頻壓力特征與#6次試驗類似，其傳播速度見表1。

2.2 雙波對撞傳播模態(tài)

#1次試驗布置的PCB測點(diǎn)為1，2，3。圖3(a)為PCB3處的高頻壓力局部放大圖，如圖，高頻壓力呈現(xiàn)出較為規(guī)律的周期性，且有兩個大小不同的壓力峰值序列A、B，此特點(diǎn)明顯不同于同向傳播模態(tài)。兩個峰值序列各自的周期間隔一致，但兩個峰值之間的時間間隔：A1—B1與B1—A2不同。PCB1和PCB2處的波形特征類似于PCB3。研究表明[16]，上述壓力信號特征屬于另一種傳播模態(tài)——雙波對撞傳播模態(tài)。

(a)高頻壓力局部視圖 (a) Local view of high-frequency pressure

(b)雙波對撞傳播過程示意圖(b) Schematic diagram of TWCPM

(c)連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震波傳播頻率分布(c) Propagation frequency distribution of CRD wave圖3 #1次試驗高頻壓力分析結(jié)果Fig.3 High-frequency pressure result of test #1

圖3(b)為雙波對撞傳播模態(tài)示意圖：燃燒室中存在兩個反向傳播的爆震波M、N，其周期性發(fā)生對撞。爆震波M、N在P點(diǎn)對撞后分別形成透射激波m、n沿原來爆震波的傳播方向繼續(xù)傳播，并誘導(dǎo)可燃混合氣逐漸發(fā)展成為新的爆震波M′、N′在P′點(diǎn)對撞，P和P′通常對稱。爆震波M′、N′對撞后形成的透射激波m′、n′又發(fā)展成為新的爆震波M、N在P點(diǎn)對撞，循環(huán)往復(fù)。

1.社會風(fēng)氣的負(fù)面影響。建立社會主義市場經(jīng)濟(jì)體制是一場深刻的社會變革，也難免會出現(xiàn)這樣那樣的問題。社會上各種不良風(fēng)氣的影響，奉獻(xiàn)社會的人有時得不到應(yīng)有的尊重和報答，這對生活在當(dāng)今社會中的大學(xué)生來說，產(chǎn)生一種負(fù)面的影響，擾亂了他們的思緒，影響了他們對事物的判斷力。大學(xué)生被當(dāng)前社會的一些不良的社會風(fēng)氣比如非正當(dāng)經(jīng)濟(jì)行為，見利忘義的個人主義和拜金主義的錯誤思想所蒙蔽，這對其在思想和行為上產(chǎn)生了不良的反應(yīng)。

根據(jù)圖3(b)，當(dāng)對撞點(diǎn)P遠(yuǎn)離布置在D處的傳感器時，由透射激波n誘導(dǎo)生成爆震波N′傳播至D的距離PD更遠(yuǎn)，發(fā)展更充分，爆震波的強(qiáng)度較大，壓力峰值也較高(如A1)；而爆震波對撞后的透射激波m′傳播至D的距離P′D更近，尚未充分發(fā)展為爆震波，強(qiáng)度也更小，故壓力峰值也更低(如B1)。由于P′D的距離較小，對應(yīng)的壓力峰值時間間隔也較短，如圖3(a)中的A1—B1。

根據(jù)雙波對撞傳播模態(tài)下高頻壓力的周期性特征計算了爆震波的傳播頻率，計算方法如圖3(a)，940～1100ms時間段內(nèi)的爆震波傳播頻率分布如圖3(c)。如圖，爆震波的傳播頻率變化范圍為3.32～3.94kHz，平均傳播頻率為3.67kHz，而FFT結(jié)果的主頻為3.68kHz，兩種方法的結(jié)果吻合較好。

#2與#3次試驗均以穩(wěn)定的雙波對撞傳播模態(tài)傳播，高頻壓力特征與#1次試驗類似，不再贅述。

2.3 混合傳播模態(tài)

#4次試驗布置的PCB測點(diǎn)為1，3，5。與#1、#6次試驗相比，#4次試驗的空氣流量基本一致，而H2流量處于二者之間。此次試驗過程中頻繁發(fā)生爆震波傳播方向、傳播模態(tài)的改變，傳播過程極不穩(wěn)定。

圖4(a)為#4次試驗的高頻壓力測量結(jié)果，如圖，試驗過程中，爆震波的傳播模態(tài)主要分為兩個階段：階段1，主要以同向傳播模態(tài)傳播，持續(xù)時間為894ms～932ms，但存在短暫的雙波對撞傳播模態(tài)；階段2，主要以雙波對撞傳播模態(tài)傳播，持續(xù)時間為932ms～1094ms，期間也存在短暫的同向傳播模態(tài)。

(a)高頻壓力整體視圖 (a) Global view of high-frequency pressure

(b)高頻壓力局部視圖，同向傳播模態(tài)，傳播方向:PCB3→PCB5(b) Local view of high-frequency pressure，ODM， propagation direction: PCB3→PCB5

(c)高頻壓力局部視圖，同向傳播模態(tài)，傳播方向:PCB5→PCB3(c) Local view of high-frequency pressure，ODM，propagation direction: PCB5→PCB3

(d)高頻壓力局部視圖，雙波對撞模態(tài)(d) Local view of high-frequency pressure，TWCPM圖4 #4次實驗高頻壓力分析結(jié)果Fig.4 High-frequency pressure result of test #4

階段1中，當(dāng)爆震波以同向傳播模態(tài)傳播時，發(fā)生了傳播方向改變的現(xiàn)象：在896ms～912ms時間段內(nèi)其傳播方向為PCB3→PCB5，局部放大圖如圖4(b)；而在929ms～931.5ms時間段內(nèi)，其傳播方向變?yōu)镻CB5→PCB3，局部放大圖如圖4(c)。在912.5ms～914ms時間段內(nèi)，爆震波以對撞傳播模態(tài)傳播。

階段2中，雙波對撞傳播時的局部視圖如圖4(d)，PCB3處高頻壓力A1′B1′A2′B2′…呈現(xiàn)出與圖3(a)中相同的特點(diǎn)，判斷爆震波以雙波對撞傳播模態(tài)傳播。與PCB3處高頻壓力相比，PCB5處高頻壓力的時間間隔A1—B1，B1—A2的差異不明顯，這與傳感器和對撞點(diǎn)之間的相對位置有關(guān)。此外，PCB3與PCB5的壓力上升先后順序呈現(xiàn)出交替的特點(diǎn)，如A1—A1′，B1′—B1，其對應(yīng)的傳播方向為PCB5→PCB3，PCB3→PCB5，即燃燒室中存在兩個沿相反方向傳播的爆震波頭，其引起的壓力信號分別為：A1A1′—A2A2′…，B1′B1—B2′B2…，由于傳播方向相反，故會發(fā)生對撞。此即雙波對撞傳播模態(tài)的又一個特點(diǎn)。

圖5 #5次實驗高頻壓力分析結(jié)果Fig.5 High-frequency pressure result of test #5

圖5為#5次試驗的高頻壓力，與#4次試驗類似，試驗過程中同向傳播模態(tài)和對撞傳播模態(tài)反復(fù)改變；與#4次試驗相比，#5次試驗的當(dāng)量比略有升高，但模態(tài)變換更加頻繁，且同向傳播模態(tài)出現(xiàn)的比例更大。

3 傳播模態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制分析

表1中不同工況下連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震波的傳播速度和速度虧損如圖6所示。其中#4次、#5次試驗中不同傳播模態(tài)下爆震波的傳播頻率和速度計算區(qū)域取為圖4(a)與圖5中傳播模態(tài)對應(yīng)的相對平穩(wěn)階段。速度虧損ε的計算方法如下：

(2)

式中，DCJ為爆震波傳播的理論CJ(Champan-Jouguet)速度。本文的CJ速度采用Cantera軟件進(jìn)行計算[18]。由于連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震燃燒流場呈現(xiàn)強(qiáng)烈的三維性和非定常性，因此目前難以測量爆震波前可燃混合氣的狀態(tài)。而CJ速度主要受當(dāng)量比、溫度和壓力的影響，其中后兩者的影響較小，計算時予以忽略，均取為300K、1個大氣壓。

(a)混合模態(tài)中，取雙波對撞模態(tài)計算爆震波傳播速度(a) Propagation velocity of the hybrid mode computed from TWCPM

(b)混合模態(tài)中，取同向傳播模態(tài)計算爆震波傳播速度(b) Propagation velocity of the hybrid mode computed from ODM圖6 傳播速度與速度虧損Fig.6 Propagation velocity and velocity deficit

圖6為爆震波傳播速度和速度虧損隨當(dāng)量比的變化，圖6(a)中混合傳播模態(tài)的速度取穩(wěn)定的雙波對撞傳播模態(tài)的速度，圖6(b)中則取穩(wěn)定的同向傳播模態(tài)的速度。由圖可知，爆震波的傳播速度基本隨當(dāng)量比的升高而增加，并在約為1.4時達(dá)到最大；隨著當(dāng)量比的進(jìn)一步增加，傳播速度稍有減小。速度虧損隨當(dāng)量比的變化趨勢則相反，但在當(dāng)量比為1.0時最小。

隨著當(dāng)量比的降低，爆震波由同向傳播模態(tài)變?yōu)橥騻鞑?雙波對撞傳播的混合模態(tài)、雙波對撞傳播模態(tài)。傳播模態(tài)的變化也導(dǎo)致了傳播速度和速度虧損變化范圍的較大差異，同向傳播、雙波對撞模態(tài)的傳播速度變化范圍分別為：1517～1664m/s，1152～1182m/s；速度虧損的變化范圍分別為19.0%～21.8%，35.4%～37.2%。而混合傳播模態(tài)中，取同向傳播模態(tài)和對撞傳播模態(tài)速度時的速度虧損分別為20.4%～24.4%，36.8%～37.2%。

連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震波在實際的傳播過程中會受到不完全混合、熱損失、黏性、側(cè)向膨脹、曲率等的影響，導(dǎo)致其傳播速度下降，這體現(xiàn)為速度虧損。而傳播模態(tài)隨當(dāng)量比發(fā)生變化，與上述損失對爆震波的影響程度有關(guān)：在較高的當(dāng)量比下，混合氣的活性較強(qiáng)，燃燒放熱量更多，爆震波的強(qiáng)度較大，傳播速度也較快，爆震波足以克服上述損失以同向傳播模態(tài)傳播；隨著當(dāng)量比的降低，爆震波的強(qiáng)度減弱，上述損失的影響相對增強(qiáng)，爆震波難以繼續(xù)克服損失維持同向傳播模態(tài)，而可能以另一種模態(tài)傳播，如本文中的雙波對撞模態(tài)傳播。

連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震波能在當(dāng)量比較低情況下以雙波對撞模態(tài)傳播，這與其傳播特征有關(guān)：燃燒室中兩個傳播方向相反的爆震波周期性發(fā)生對撞，盡管其中的復(fù)雜過程使得平均傳播速度較低、速度虧損較大[16]，但激波對撞形成局部高溫高壓區(qū)，有利于混合氣的燃燒放熱并維持爆震波的傳播，其可能是連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震波的極限傳播模態(tài)。

4 結(jié)論

開展了H2/air連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震試驗，分析了不同傳播模態(tài)下的爆震波傳播頻率、速度及虧損，得到了以下結(jié)論：

1)在相同的燃燒室構(gòu)型下，連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震波的傳播模態(tài)與推進(jìn)劑組合當(dāng)量比有關(guān)：隨著當(dāng)量比的降低，爆震波的傳播模態(tài)由單個波頭的同向傳播模態(tài)改變?yōu)橥?雙波對撞混合傳播模態(tài)、雙波對撞傳播模態(tài)。

2)隨著推進(jìn)劑當(dāng)量比的降低，混合氣活性減弱、爆震波強(qiáng)度下降、傳播速度減小，爆震波無法維持同向傳播模態(tài)，轉(zhuǎn)為雙波對撞模態(tài)傳播。

3) 雙波對撞模態(tài)中，兩個反向傳播的激波對撞有利于燃燒放熱，可能是連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震波在推進(jìn)劑組合活性較弱、傳播速度較低時的極限傳播模態(tài)。

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Experiment on the propagation mode of continuous rotating detonation wave

WANG Chao, LIU Weidong, LIU Shijie, LIN Zhiyong, JIANG Luxin

ExperimentsoncontinuousrotatingdetonationwaveofH2/airwereperformedwithconstantairmassflowrateandvariedH2/airequivalenceratio(ER).ThreedifferentpropagationmodesofthecontinuousrotatingdetonationwavewerefoundasthedecreasingofER,namely,onedirectionmodeathighERfrom0.90to1.86,two-wavecollisionpropagationmodeatlowERofabout0.75,hybridmodeofonedirectionmodeandtwo-wavecollisionpropagationmodeatmiddleER.Thepropagationcharacteristicsofthehigh-frequencypressureswereanalyzedandthemodetransitionmechanismofcontinuousrotatingdetonationwavewaspreliminarilystudied.WithahigherER,thestrengthofthedetonationwaveisincreasedandthelossandvelocitydeficitduringthepropagationarerelativelysmall,andthecontinuousrotatingdetonationwavecanbesustainedintheonedirectionmode;whilewithalowerER,thestrengthofthecontinuousrotatingdetonationwaveisreducedandtheinfluenceofthelossandvelocitydeficitduringthepropagationisrelativelyenlarged,onlyinthetwo-wavecollisionpropagationmodecanthecontinuousrotatingdetonationwavebesustained.Thiscanbeattributedtothecollisionofthetwocounter-propagatingshockwavesinthetwo-wavecollisionpropagationmode,whichwillpromotetheheatrelease,willenablethecontinuousrotatingdetonationwavetopropagatesteadilyatalowER,andwillmakethetwo-wavecollisionpropagationmodepossiblybetheultimatepropagationmodeofcontinuousrotatingdetonationwave.

continuousrotatingdetonation;onedirectionpropagationmode;two-wavecollisionpropagationmode;velocitydeficit;modetransition

2014-09-17

國家自然科學(xué)基金資助項目(51306202，91216120)

王超(1987—)，男，湖北黃岡人，博士研究生，E-mail：emspire529@163.com；劉衛(wèi)東(通信作者)，男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，E-mail：lwd_insa@sohu.com

10.11887/j.cn.201504021

http://journal.nudt.edu.cn

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