分叉管內(nèi)爆轟波傳播特性實(shí)驗(yàn)研究

魏雁昕　李寶星　翁春生

摘要：為了研究爆轟波在分叉管內(nèi)的傳播特性，對以H₂/O₂為燃料的分叉式脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。分別測試了不同工況條件下管內(nèi)不同采樣點(diǎn)爆轟波壓力，并對其變化過程進(jìn)行了深入分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：爆轟波在分叉管內(nèi)傳播過程中，分叉口下游主管道內(nèi)爆轟波在經(jīng)過6倍管徑長度的過渡區(qū)后恢復(fù)穩(wěn)定，爆轟強(qiáng)度不變。爆轟波繞射進(jìn)入分叉支管2，并且在管壁發(fā)生多次碰撞和反射，形成過驅(qū)爆轟，在燃料充分填充的條件下可以恢復(fù)穩(wěn)定爆轟，爆轟強(qiáng)度與主管道內(nèi)爆轟波強(qiáng)度相同。在分叉支管2內(nèi)加裝擾流片對加快形成爆轟的影響甚小，分叉支管2內(nèi)燃料填充率是形成穩(wěn)定爆轟的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：爆轟波；分叉管；二次點(diǎn)火；進(jìn)氣壓力；擾流片

中圖分類號：TJ763；V231.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-5048（2017）02-0049-06

0引言

爆轟波在傳播過程中，流通通道突然變化時(shí)會(huì)發(fā)生繞射。爆轟波繞射是爆轟波在管道內(nèi)傳播過程中的常見現(xiàn)象，一直受到眾多學(xué)者的關(guān)注。首先，從爆轟推進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用角度來看，研究爆轟波在分叉支管內(nèi)的繞射及演變情況有利于實(shí)現(xiàn)脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)（Pluse Detonation Engine，PDE）串聯(lián)點(diǎn)火起爆，降低點(diǎn)火能量，縮短起爆時(shí)間和距離，提高脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)工作頻率。其次，研究爆轟波在管道內(nèi)的繞射現(xiàn)象對于工業(yè)安全具有重要意義，明確爆轟波在復(fù)雜管路內(nèi)的傳播情況，有利于抑制爆轟的產(chǎn)生，降低工業(yè)生產(chǎn)中的風(fēng)險(xiǎn)。

爆轟波在分叉管路內(nèi)繞射現(xiàn)象，涉及誘導(dǎo)激波、爆轟波解耦、化學(xué)反應(yīng)區(qū)和幾何壁面的相互干擾等相關(guān)因素。臨界管徑概念是研究爆轟波在管路內(nèi)繞射的重要理論依據(jù)，即在其他參數(shù)確定的條件下，傳播管道的管徑存在一個(gè)臨界值，當(dāng)管徑小于臨界管徑時(shí)，爆轟波會(huì)發(fā)生熄爆現(xiàn)象。TJi Jian-ling等人采用航空煤油為燃料、O₂為氧化劑，進(jìn)行了變截面氣液兩相PDE實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：收斂結(jié)構(gòu)可以提高爆轟波壓力，大管和小管存在一個(gè)最佳管徑比，可以保證爆轟波在變截面流通通道內(nèi)保持穩(wěn)定傳播。Hoke J等人以航空汽油為燃料、N₂O為氧化劑，進(jìn)行了PDE預(yù)爆轟點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)研究，分析了點(diǎn)火過程對發(fā)動(dòng)機(jī)推力的影響，結(jié)果表明：采用預(yù)爆轟點(diǎn)火方式下發(fā)動(dòng)機(jī)推力相較于傳統(tǒng)點(diǎn)火方式有明顯提高。Pintgen F等人通過實(shí)驗(yàn)研究，觀察到爆轟波在兩種不同混合氣體中的繞射過程，采用激光誘導(dǎo)熒光成像技術(shù)獲得了管內(nèi)不同時(shí)刻OH原子團(tuán)的分布情況，清晰反映了爆轟波在解耦和二次點(diǎn)火過程中的傳播情況。Driscoll R等人采用C₂H₄/O₂/N₂，預(yù)混合氣體進(jìn)行了正交支管預(yù)爆轟點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)研究，分析了支管不同管長和管徑對點(diǎn)火過程的影響，保持初始條件不變，改變支管的管徑和發(fā)動(dòng)機(jī)的工作頻率對爆轟波的波速和壓力峰值沒有影響。Smolinska A等人通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，得到爆轟波繞射后的胞格結(jié)構(gòu)，明確地反映了爆轟波的繞射過程。GuoChangming等人對爆轟波在分叉管內(nèi)傳播特征進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究，對爆轟波衰減、馬赫反射和爆轟波二次點(diǎn)火等過程進(jìn)行了討論。Hopper D R等人對分叉式PDE進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了正交排布和傾斜排布兩種分叉管排布方式對爆轟波傳播的影響，證明存在最小分叉管管長，有效降低爆轟波的能量損失，提高PDE串聯(lián)點(diǎn)火效率。王昌建等人以H₂/O₂/Ar預(yù)混氣體為燃料，在不同初始壓力條件下對爆轟波在矩形截面T型管內(nèi)傳播過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：T型分叉管對穩(wěn)定傳播爆轟波的影響是局部的，在分叉口下游區(qū)域（距分叉口4～6倍管徑處），爆轟波恢復(fù)穩(wěn)定傳播。潘振華。等人利用帶化學(xué)反應(yīng)的二維Euler方程，對H₂，O₂，Ar體積比為2：1：1的混合氣體在T型管內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了靜止系統(tǒng)和流動(dòng)系統(tǒng)中爆轟波繞射過程，迎風(fēng)面和順風(fēng)面爆轟波胞格結(jié)構(gòu)存在明顯差異。盧秦尉等人利用三階TVD格式對H₂/O₂/Ar混合氣體爆轟波在分叉管內(nèi)傳播過程進(jìn)行了二維數(shù)值計(jì)算，分析了不同組分濃度條件下爆轟波在分叉處熄爆解耦現(xiàn)象，研究了稀釋氬氣對爆轟波繞射的影響。范瑋等人對多分支管PDE進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了轉(zhuǎn)折角度對于爆轟波強(qiáng)度的影響，轉(zhuǎn)角越小，爆轟波在分支轉(zhuǎn)彎處壓力損失越小，分叉支管內(nèi)爆轟波壓力越高，采用漸變的過渡方式，對于維持爆轟波的強(qiáng)度是有益的。

本文以H₂/O₂，為燃料，以PDE為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在PDE尾部已經(jīng)形成穩(wěn)定爆轟位置加裝T型分叉支管結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析了不同填充條件和擾流片對爆轟波繞射的影響。

1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括燃料供給系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和PDE主體結(jié)構(gòu)和分叉支管。圖1為爆轟波在分叉支管內(nèi)傳播特性研究實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主體是內(nèi)徑30 mm的脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)，主體長度1 200 mm，H₂和O₂，采用對撞噴注方式噴入脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)混合室。使用高能等離子體點(diǎn)火，點(diǎn)火位置距離發(fā)動(dòng)機(jī)封閉端190 mm，實(shí)驗(yàn)中只進(jìn)行單次點(diǎn)火，針對一個(gè)周期內(nèi)的爆轟波傳播情況進(jìn)行研究。為快速形成穩(wěn)定傳播的爆轟波，在點(diǎn)火頭下游70 mm處安裝有長度為250 mm的擾流片。點(diǎn)火頭下游爆轟管內(nèi)依次布置了4個(gè)PCB動(dòng)態(tài)壓力傳感器，距離點(diǎn)火位置分別為400mm、500 mm、800 mm和900 mm。在距離點(diǎn)火頭700 mm處為一個(gè)三通結(jié)構(gòu)，連接一個(gè)長度700mm、內(nèi)徑30 mm的分叉支管2。在分叉支管2上距離三通分叉處200 mm和440 mm分別布置了2個(gè)PCB動(dòng)態(tài)壓力傳感器。脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)HJO₂填充時(shí)間，以及點(diǎn)火時(shí)序均由一個(gè)自行設(shè)計(jì)的八通道單片機(jī)進(jìn)行控制，各通道之間的最小時(shí)間間隔為5 ms。高頻壓力采集系統(tǒng)由動(dòng)態(tài)壓力傳感器、數(shù)據(jù)傳輸線、采集卡和濾波器等設(shè)備與電腦相連，并采用一個(gè)自主開發(fā)的采集軟件進(jìn)行控制。高頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)共有8個(gè)通道，采樣頻率設(shè)定為1MS/s。高頻壓力傳感器量程為3 450 kPa，靈敏度為1.45 mV/kPa，分辨率為0.014 kPa，諧振頻率大于等于500 kHz，上升時(shí)間小于等于1.0μs，低頻響應(yīng)0.01 Hz，非線性小于等于1.0%FS，工作溫度范圍為-73～+135℃，靈敏度溫度系數(shù)小于等于0.054%/℃。由于爆轟波溫度遠(yuǎn)高于壓力傳感器的工作條件，會(huì)導(dǎo)致壓力傳感器測試的數(shù)據(jù)有大的漂移，為此，在實(shí)驗(yàn)中采用冷卻水套對傳感器進(jìn)行冷卻，通過不斷注入的冷卻水將溫度保持在傳感器的工作范圍之內(nèi)。