橫向射流影響緩燃向爆震轉(zhuǎn)捩過程的試驗(yàn)研究

彭瀚，黃玥，劉晨，邢菲，欒振業(yè)

廈門大學(xué) 航空航天學(xué)院，廈門 361005

基于爆震燃燒的推進(jìn)系統(tǒng)由于熱力循環(huán)效率高、循環(huán)熵增低等優(yōu)點(diǎn)，作為一種潛在的先進(jìn)空天動(dòng)力裝置受到國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注[1-2]。爆震波的化學(xué)反應(yīng)區(qū)包含復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程，涉及到十分復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)和流動(dòng)相互耦合的現(xiàn)象。爆震發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中面臨的關(guān)鍵問題是需要采用小能量點(diǎn)火在較短的時(shí)間和距離內(nèi)完成緩燃向爆震的轉(zhuǎn)變(Deflagration-to-Detonation Tran-sition, DDT)，縮短碳?xì)淙剂吓c空氣混氣的DDT距離有助于減小爆震發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室尺寸[3-6]。

常見的加速DDT過程的方式是通過設(shè)置固體障礙物實(shí)現(xiàn)的，試驗(yàn)研究[7-9]表明在光滑爆震管內(nèi)放置孔板、線圈式螺旋等不同形式的固體障礙物可增加火焰前端的湍流度，進(jìn)而明顯地加速DDT過程。固體障礙物雖然在單次爆震中有很大的優(yōu)勢(shì)，但是在多循環(huán)爆震中會(huì)影響排氣、進(jìn)氣過程[10]。對(duì)于實(shí)際工況，障礙物附加的流動(dòng)阻力會(huì)使爆震發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生較大的比沖損失，利用障礙物助爆，需要合理設(shè)計(jì)障礙物的尺寸以及結(jié)構(gòu)[11-12]。Ahmed和Forliti[13]在燃燒室設(shè)計(jì)中提出射流障礙物的概念，即用一個(gè)橫向狹縫射流在流場(chǎng)中形成一個(gè)低速回流區(qū)進(jìn)行火焰穩(wěn)定，該結(jié)構(gòu)相比于固體障礙物，減小了對(duì)主流的流動(dòng)損失，進(jìn)而減少了推力損失。

Knox等[14-15]將射流障礙物應(yīng)用于預(yù)混氣體的起爆過程，通過試驗(yàn)對(duì)比固體障礙物和射流對(duì)DDT的影響，研究選用氫氣/空氣為反應(yīng)物，射流為氮?dú)?。結(jié)果顯示射流替換固體障礙物后，火焰總傳播時(shí)間縮短了45%，形成爆震的幾率提高。對(duì)比冷態(tài)流場(chǎng)顯示射流引起的湍流度相比于固體障礙物增加了240%。McGarry和Ahmed[16]采用紋影和粒子圖像測(cè)速技術(shù)觀察單個(gè)射流和層流火焰的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)通過改變當(dāng)量比和射流壓力，觀測(cè)到射流附近的回流區(qū)，在火焰的前方誘導(dǎo)形成大量湍流?；鹧娼?jīng)過射流后傳播速度加快，層流火焰轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧骰鹧妫淞鳂O大地增加了流場(chǎng)的擾動(dòng)程度。Chambers等[17]發(fā)現(xiàn)射流對(duì)層流火焰和湍流火焰的加速效果不同，射流與主流可以形成一對(duì)反向旋渦，促使火焰面扭曲并增大面積，引起火焰的加速。白橋棟和翁春生[18]對(duì)固體障礙物和射流噴射助爆分別進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果顯示采用射流噴射與固體障礙物作為助爆裝置相比，其DDT距離、時(shí)間以及流動(dòng)損失都有減少，射流噴射助爆具有明顯的優(yōu)勢(shì)。王永佳等[19]用乙烯和40%富氧空氣作為預(yù)混反應(yīng)物，在6 mm方形管內(nèi)進(jìn)行射流障礙物對(duì)爆震燃燒起爆性能影響試驗(yàn)，選擇氮?dú)庾鳛榱黧w障礙物，同時(shí)研究了熱態(tài)流體障礙物對(duì)起爆特性的影響。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)流體障礙物可以有效縮短DDT距離，過大的射流孔徑會(huì)稀釋反應(yīng)物甚至導(dǎo)致無法形成爆震，相同孔徑下熱態(tài)射流相比于冷態(tài)射流有更好的助爆效果。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于射流助爆的研究處于起步階段，大部分研究選擇惰性氣體或者氧化劑作為射流介質(zhì)，其對(duì)反應(yīng)物局部濃度有一定的影響。本文通過開展射流介質(zhì)為可反應(yīng)混氣的流體障礙物助爆試驗(yàn)，對(duì)不同參數(shù)的單射流輔助起爆和多射流起爆方案進(jìn)行研究。分析不同的射流延遲時(shí)間、射流位置和射流噴射形式對(duì)DDT的影響，以獲取最佳的射流助爆策略。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)與方法

1.1 測(cè)量與控制系統(tǒng)

爆震燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)由矩形爆震管、燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)、預(yù)混室、測(cè)量和控制系統(tǒng)、射流延時(shí)系統(tǒng)組成。如圖1所示，在配氣和充氣過程前利用真空泵對(duì)混合室和試驗(yàn)件抽真空，甲烷與氧氣通過流量控制器設(shè)置體積流量比為1∶2，再經(jīng)過電磁閥控制進(jìn)入混合室。配氣過程流量選擇較小便于充分混合，總共將混合室充至壓力為0.2 MPa，同時(shí)在混合室內(nèi)部放置多層鐵絲網(wǎng)，進(jìn)一步提升摻混效率。該混合室設(shè)有兩個(gè)出氣口，一個(gè)用于向爆震管充氣，另一個(gè)用于橫向射流的噴射，射流出氣口未使用時(shí)采用球閥將其關(guān)閉。試驗(yàn)工況為室溫，初始?jí)毫?0 kPa，甲烷和氧氣混氣當(dāng)量比為1，使用點(diǎn)火能量50 mJ的弱火花塞點(diǎn)火。

由于單次爆震試驗(yàn)的總時(shí)長(zhǎng)較短，因此需要使用高精度的射流控制模塊。采用ARM微型控制器作為核心自主設(shè)計(jì)制作延時(shí)控制模塊，可產(chǎn)生微秒量級(jí)的時(shí)間間隔來控制射流噴射的時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間[20]。試驗(yàn)射流閥門距出口管長(zhǎng)約為200 mm，當(dāng)射流壓力為0.2 MPa時(shí)近似估算試驗(yàn)射流從閥門開啟到噴入爆震管所需時(shí)間約為0.48 ms，與點(diǎn)火信號(hào)發(fā)出后的點(diǎn)火延遲時(shí)間相近。定義點(diǎn)火信號(hào)和噴射射流信號(hào)的時(shí)間間隔為射流延遲時(shí)間，延時(shí)控制模塊的詳細(xì)工作流程如圖2所示。當(dāng)按下按鈕開關(guān)，模塊正常運(yùn)行發(fā)送點(diǎn)火信號(hào)；模塊延遲設(shè)定的時(shí)間后發(fā)送電磁閥信號(hào)開啟射流；持續(xù)一個(gè)大于火焰?zhèn)鞑ブ脸隹谒钑r(shí)間的間隔后，停止點(diǎn)火并吸合電磁閥關(guān)閉射流。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of test system

射流助爆試驗(yàn)主體試驗(yàn)件為一個(gè)長(zhǎng)為810 mm，截面高為20 mm，深為6 mm的爆震管，見圖3。整個(gè)試驗(yàn)件由爆震室、有機(jī)玻璃、玻璃蓋板、薄膜、薄膜蓋板、測(cè)量座以及點(diǎn)火裝置組成。研究截面為矩形的爆震燃燒室以便于開設(shè)玻璃窗進(jìn)行觀察，通過高速相機(jī)拍攝可以得到詳細(xì)的爆震波傳播情況，有效的拍攝長(zhǎng)度為800 mm。爆震室主體上開設(shè)主進(jìn)氣孔、射流孔和測(cè)量孔，各孔之間的間距為90 mm，第一個(gè)孔距離點(diǎn)火區(qū)的距離也是90 mm。主進(jìn)氣管和射流管通過快速接頭與燃燒室連接，試驗(yàn)時(shí)不使用的射流孔和測(cè)量孔采用堵頭密封。爆震管尾端采用聚乙烯薄膜密封使內(nèi)部與外部空氣隔離。點(diǎn)火后，當(dāng)火焰?zhèn)髦廖膊繒r(shí)已經(jīng)形成爆震波，其壓力大約為1～2 MPa，薄膜破裂釋放管內(nèi)壓力并排出燃?xì)狻?/p>

圖2 射流延時(shí)控制模塊Fig.2 Control module for jet delay time

圖3 爆震管試驗(yàn)件Fig.3 Test piece of detonation channel

試驗(yàn)中測(cè)量火焰前鋒面使用自制的離子探針，測(cè)量壓力使用型號(hào)為CY-YD0-205的高頻壓力傳感器，其靈敏度為100 pC/MPa，通過連接電荷放大器將其輸出的電荷量放大為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，經(jīng)NI數(shù)據(jù)采集模塊獲取。同時(shí)運(yùn)用高速攝影技術(shù)觀察爆震燃燒室內(nèi)火焰?zhèn)鞑デ闆r，試驗(yàn)中選用FASTCAM Mini AX200高速攝影機(jī)。拍攝分辨率為1 024 pixel×48 pixel，幀數(shù)為96 000 frame/s。通過在該分辨率下測(cè)出相鄰兩幀的火焰鋒面間距，再除以對(duì)應(yīng)時(shí)間間隔得到火焰?zhèn)鞑ニ俣?。由于壓力測(cè)點(diǎn)布置較少，試驗(yàn)測(cè)量速度主要通過高速攝像機(jī)拍攝處理得到，通過壓力、火焰信號(hào)輔以驗(yàn)證。這種方式的測(cè)量誤差由拍攝分辨率下單位像素對(duì)應(yīng)的實(shí)際距離除以圖像的曝光時(shí)間求得，約為75 m/s。

1.2 射流噴射形式

考慮噴射惰性氣體或者氧氣會(huì)影響反應(yīng)物的局部當(dāng)量比，選用和爆震管內(nèi)成分相同的可反應(yīng)混氣作為射流介質(zhì)，噴射射流的總壓為0.2 MPa，溫度為293 K。后文所提到的射流位置均指射流噴射處與剛性封閉端的距離，如圖4所示，單股射流試驗(yàn)中均從試驗(yàn)件上側(cè)的噴口噴射射流。在多股射流試驗(yàn)中，采取3種不同的射流噴射形式：在試驗(yàn)件上側(cè)不同位置處進(jìn)行噴射的單邊平行噴射(Parallel Jet)；在上下兩側(cè)同一水平位置處進(jìn)行噴射的對(duì)沖噴射(Impinging Jet)；在上下兩側(cè)不同水平位置處噴射的交錯(cuò)噴射(Staggered Jet)。

圖4 射流噴射形式Fig.4 Jet distribution patterns

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 單射流試驗(yàn)

2.1.1 不同射流延遲時(shí)間

射流噴射后，流體障礙物的結(jié)構(gòu)隨時(shí)間不斷發(fā)生變化，進(jìn)而產(chǎn)生不同的加速火焰效果。點(diǎn)火后，火焰在爆震管不同位置處的火焰結(jié)構(gòu)不同，流體障礙物的助爆特性隨著射流延遲時(shí)間而改變。試驗(yàn)固定射流位置為180 mm，在不同射流延遲時(shí)間下起爆，高速攝影得到的火焰前鋒面位置s以及速度v隨時(shí)間變化情況如圖5所示。無射流工況加速至爆震所需時(shí)間大約為1.9 ms，其余4條有射流的工況所需的時(shí)間大約為1.3～1.8 ms。相比于無射流工況，噴射單股射流后，加速至爆震所需時(shí)間減少了10%～30%。

圖5 相同射流位置(180 mm)下不同射流延遲時(shí)間 火焰?zhèn)鞑DFig.5 Diagram of flame propagation with varying jet delay time and same jet location 180 mm

同一射流位置下，不同的射流延遲時(shí)間對(duì)應(yīng)火焰面與射流接觸時(shí)，射流在流場(chǎng)中所形成的不同結(jié)構(gòu)。若射流延遲時(shí)間過長(zhǎng)，射流與主流相互作用產(chǎn)生的旋渦結(jié)構(gòu)沒有形成完全，只是略微增加了噴射口附近流場(chǎng)湍流度而促進(jìn)火焰加速，所以延遲時(shí)間為600 μs和800 μs的工況加速效果介于400 μs和無射流工況之間。若射流延遲時(shí)間過短，火焰?zhèn)鞑ブ辽淞魈幮枰欢ǖ臅r(shí)間，而射流噴射時(shí)間較長(zhǎng)，向上游傳播的射流混氣增大了流場(chǎng)阻力，不利于火焰的加速。當(dāng)射流延遲時(shí)間為400 μs時(shí)，加速至爆震所需時(shí)間最短為1.4 ms，這表明存在一個(gè)最優(yōu)的延遲時(shí)間噴射射流使得起爆時(shí)間最短。

圖6所示是射流位置為180 mm，射流延遲時(shí)間為400 μs的火焰?zhèn)鞑D像。在火焰?zhèn)鞑コ跗?，受射流影響流?chǎng)湍流度增大，火焰面出現(xiàn)皺褶，之后轉(zhuǎn)變?yōu)楦邆鞑ニ俣鹊闹讣庑突鹧?，火焰速度不斷增加，最終在爆震管尾部形成十分明亮的爆震波，如圖6(a)中t=1.458 ms時(shí)所示。射流延遲時(shí)間為200 μs的工況火焰發(fā)展如圖6(b)所示，加入射流后，火焰逐漸分裂為兩個(gè)焰核，然后形成一個(gè)平整的火焰面，但火焰面較暗。之后火焰逐漸加速，在t=1.667 ms時(shí)才形成指尖型火焰。相比射流延遲時(shí)間400 μs工況，200 μs工況總傳播時(shí)間變長(zhǎng)，火焰加速效果減弱。

圖7為射流位置180 mm和射流延遲時(shí)間200 μs工況下壓力和火焰電壓隨時(shí)間變化曲線。在630 mm位置燃燒室壓力值為1.25 MPa，在720 mm位置壓力值為0.77 MPa，壓力值下降。

圖6 射流位置為180 mm下高速攝像火焰?zhèn)鞑DFig.6 High speed camera photo of flame propagation with jet location being 180 mm

圖7 壓力和離子探針信號(hào)變化Fig.7 Change of pressure and ion probe signal

分析原因?yàn)椴捎脡毫鞲衅鲃?dòng)態(tài)響應(yīng)低、采樣頻率低等因素導(dǎo)致無法捕捉到壓力峰值造成720 mm測(cè)點(diǎn)處的壓力峰值相比630 mm處大幅降低。雖然從圖7(b)局部細(xì)節(jié)圖中可以看到離子探針信號(hào)與壓力信號(hào)在測(cè)點(diǎn)處是同時(shí)上升的，但是測(cè)點(diǎn)所在兩個(gè)位置火焰?zhèn)鞑ニ俣确謩e只有CJ理論爆震速度的58%和63%，說明在該測(cè)點(diǎn)處并未產(chǎn)生爆震波。高速攝影拍攝到在測(cè)點(diǎn)下游燃燒室出口處形成爆震波。

2.1.2 不同射流位置

固定射流延遲時(shí)間為600 μs，不同射流位置下各個(gè)工況的火焰鋒面隨時(shí)間的變化如圖8所示。取爆震管700 mm處為參照，射流位于270 mm處，火焰?zhèn)鞑ブ猎撎幩钑r(shí)間最短，90、180 mm工況次之，360 mm工況所需時(shí)間最長(zhǎng)。點(diǎn)火600 μs后射流噴射，前3組的火焰速度較360 mm組有明顯的提升。分析原因是前3組噴射處位于爆震管前部，射流上游的距離較短，此時(shí)射流預(yù)混氣受主流影響而往下游流動(dòng)，在邊界上形成回流區(qū)并增大流場(chǎng)湍流度。受流場(chǎng)湍流度影響，火焰加速，且射流向上游軸向流動(dòng)量較少，所以前3個(gè)工況的傳播時(shí)間都小于1.6 ms；相比之下射流位置為360 mm 時(shí)火焰加速效果較差，因?yàn)樯淞髟诨鹧鎮(zhèn)鞑コ跗诘募铀傩Ч黠@，360 mm工況射流位置卻處于爆震管的中段，火焰發(fā)展到這個(gè)位置時(shí)速度已經(jīng)較快，射流的加速作用減弱。其次，火焰從點(diǎn)火傳播至360 mm射流位置相比于90 mm處需要花費(fèi)更長(zhǎng)時(shí)間，這相當(dāng)于增加了火焰接觸射流前的噴射時(shí)間，未與主流接觸時(shí)混氣會(huì)向上游運(yùn)動(dòng),增大了管內(nèi)的流動(dòng)阻力。

圖9所示為高速攝影得到的火焰照片，射流位置分別為90、270、360 mm。圖9(a)顯示了流體障礙物對(duì)初始火焰核心的影響，射流位置為90 mm，流體障礙物在初始焰核區(qū)域形成大量的湍流。從圖中可以看到反應(yīng)物在爆震管前部燃燒較為均勻，但是火焰沒有直接發(fā)展為指尖型火焰，經(jīng)過180 mm后逐漸有分裂為兩個(gè)焰核的趨勢(shì)。這說明了射流在噴射位置形成大量湍流，遠(yuǎn)離射流位置的區(qū)域湍流度較小。流體障礙物作用范圍有限，主要作用區(qū)域位于噴射位置附近。

當(dāng)射流位置為270 mm時(shí)，火焰初始傳播分裂為兩個(gè)焰核，然后繼續(xù)向左傳播與流體障礙物相互作用，射流形成的湍流促使上下兩個(gè)焰核相互交換能量，逐漸合并，經(jīng)過射流位置270 mm后已經(jīng)形成明顯的指尖型火焰。對(duì)比圖9(a)和圖9(b)，在t=1.041 ms時(shí)，兩組火焰鋒面幾乎在相同的位置，在下一時(shí)刻射流位置270 mm工況的火焰?zhèn)鞑サ酶h(yuǎn)。

圖8 射流延遲時(shí)間600 μs下不同射流位置火焰?zhèn)鞑DFig.8 Diagram of flame propagation with varying jet location and same jet delay time 600 μs

圖9 射流延遲時(shí)間為600 μs時(shí)高速攝像火焰?zhèn)鞑DFig.9 High speed camera photo of flame propagation with jet delay time being 600 μs

圖9(c)為360 mm射流位置下火焰?zhèn)鞑D片，相比于其他射流位置工況，DDT時(shí)間變長(zhǎng)，在t=1.719 ms時(shí)才產(chǎn)生爆震。從圖中明顯地看到，火焰在傳播初期依然分裂為兩個(gè)焰核，對(duì)比前兩組工況，射流位于360 mm處的工況火焰從緩燃轉(zhuǎn)捩為爆震經(jīng)歷了較長(zhǎng)的加速過程?；鹧婷娣至熏F(xiàn)象較為嚴(yán)重，在加速過程中未出現(xiàn)明顯的指尖型火焰。射流噴入后，略微增加爆震管中部的局部壓力，火焰加速作用不明顯。

2.2 多射流試驗(yàn)

2.2.1 平行射流

圖10 不同數(shù)量平行射流火焰?zhèn)鞑DFig.10 Diagram of flame propagation with varying parallel jet quantity

試驗(yàn)分別控制射流數(shù)量和射流間距。圖10為給定射流延遲時(shí)間為400 μs下，單邊不同數(shù)量平行射流工況下的火焰鋒面?zhèn)鞑デ€。噴射兩股射流時(shí)DDT時(shí)間最短，約為1.2 ms。相比于單個(gè)射流，雙射流能在燃燒室內(nèi)形成更多的湍流，促使前期火焰以較大的湍流火焰?zhèn)鞑?，更快完成緩燃向爆震的轉(zhuǎn)捩。但是射流數(shù)量不是越多越好，3股射流和4股射流對(duì)火焰的加速效果與兩股射流相比均有下降。分析原因在于射流數(shù)量過多導(dǎo)致射流噴射總流量變大，阻塞比加大引起流阻增加。此外，大流量的射流噴入會(huì)引起燃燒室內(nèi)靜溫降低，也會(huì)不利于火焰的加速。90-180-270 mm組的DDT時(shí)間小于180-270-360 mm組，也說明了射流噴射在爆震管前段助爆效果更好。利用Chemkin計(jì)算化學(xué)當(dāng)量比下甲烷/氧氣，60 kPa條件下對(duì)應(yīng)的理論CJ爆震速度為2 370 m/s，從圖10火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€看，多組射流的火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u增大至超過CJ理論速度的過驅(qū)爆震狀態(tài)，此后速度逐漸衰減，以小于理論CJ爆震的速度傳播至出口。分析原因?yàn)槔碚撚?jì)算考慮CJ平衡態(tài)完全反應(yīng)，而試驗(yàn)值當(dāng)量比下反應(yīng)物預(yù)混不能達(dá)到完全均勻，使得反應(yīng)總體放熱量降低，因此導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果速度低于理論計(jì)算結(jié)果，此外燃燒室內(nèi)壁面的散熱等因素也可能導(dǎo)致爆震波速度的虧損[21]。相比之下單股射流只能達(dá)到較低的燃燒速度1 200 m/s左右，表明多股射流具有更好的助爆效果。

圖11 不同位置下雙平行射流火焰?zhèn)鞑DFig.11 Diagram of flame propagation with double parallel jet and varying jet locations

進(jìn)一步研究加速效果最優(yōu)的兩股平行射流工況，對(duì)兩股射流在不同射流間距，以及不同位置下的火焰?zhèn)鞑デ闆r進(jìn)行探索。圖11為對(duì)應(yīng)火焰?zhèn)鞑デ€，射流間距為180 mm的工況DDT時(shí)間小于間距90 mm工況。分析原因是增大的射流間距會(huì)增加兩股射流之間的湍流區(qū)長(zhǎng)度，火焰在湍流區(qū)速度急劇增加，導(dǎo)致DDT時(shí)間縮短。各工況中最短的DDT時(shí)間為1 ms左右，對(duì)應(yīng)射流噴射位置分別位于90 mm和270 mm處。

2.2.2 對(duì)沖射流

圖12 不同位置下對(duì)沖射流火焰?zhèn)鞑DFig.12 Diagram of flame propagation with impinging jet and varying jet locations

固定射流延遲時(shí)間為400 μs，圖12為不同射流位置下對(duì)噴射流火焰?zhèn)鞑デ€。對(duì)噴射流加速火焰最優(yōu)的工況是在180 mm處對(duì)噴，DDT時(shí)間約為1.15 ms。90 mm組對(duì)噴工況火焰能達(dá)到很高的過驅(qū)爆震速度，約為2 800 m/s，但是其轉(zhuǎn)捩之前的火焰速度比180 mm組低，導(dǎo)致DDT時(shí)間略長(zhǎng)于180 mm組。當(dāng)對(duì)噴射流位置在270 mm處時(shí)，DDT時(shí)間與前兩組工況相比明顯變長(zhǎng)，火焰經(jīng)歷了較長(zhǎng)的燃燒加速過程，對(duì)噴射流阻礙火焰?zhèn)鞑ガF(xiàn)象明顯。由此分析，在火焰?zhèn)鞑サ某跏茧A段，流場(chǎng)中兩股射流對(duì)撞后會(huì)產(chǎn)生十分復(fù)雜的渦結(jié)構(gòu)和巨大的湍流度，對(duì)噴射流能夠極大促進(jìn)射流附近區(qū)域擾動(dòng)。但同時(shí)對(duì)噴的射流也會(huì)加大流場(chǎng)的阻塞比，阻礙火焰的傳播，在火焰?zhèn)鞑ブ衅谳^為明顯，體現(xiàn)為轉(zhuǎn)捩為爆震前的燃燒過程持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)。

2.2.3 交錯(cuò)射流

當(dāng)射流類型為交錯(cuò)射流時(shí)，上下兩個(gè)射流位置不同，兩個(gè)射流在不同位置平行反向噴射，能形成旋向相同的旋渦。圖13為交錯(cuò)射流條件火焰?zhèn)鞑デ€，從圖中可以看出射流噴射位置包含90 mm處的兩組工況火焰?zhèn)鞑ッ黠@快于其他兩組工況。這與平行、對(duì)沖射流相似，交錯(cuò)射流作用在火焰初始傳播階段時(shí)加速效果明顯。射流分別位于90 mm和180 mm處的工況DDT時(shí)間最短約為1 ms，但是達(dá)到過驅(qū)爆震之后速度衰減得較快。其余工況在產(chǎn)生爆震之前均經(jīng)歷了較長(zhǎng)的加速階段，由緩燃火焰轉(zhuǎn)捩為過驅(qū)爆震狀態(tài)，最終衰減到CJ理論爆震波速度。

圖14為高速攝像拍攝的交錯(cuò)射流工況火焰?zhèn)鞑ミ^程，點(diǎn)火形成初始焰核后，沒有分裂為雙焰核結(jié)構(gòu)。在交錯(cuò)射流形成的湍流和渦系結(jié)構(gòu)的幫助下，火焰面發(fā)生皺褶，不再形成光滑的指尖型火焰。在t=0.63 ms時(shí)，有局部的焰核生成，在流場(chǎng)的作用下，多核結(jié)構(gòu)不斷融合和分裂成新的焰核?；鹧婷娼Y(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化，褶皺變形，火焰在中前段就已經(jīng)十分明亮，并迅速地發(fā)展為爆震波。

圖13 不同位置下交錯(cuò)射流火焰?zhèn)鞑DFig.13 Diagram of flame propagation with staggered jet and varying jet locations

圖14 位于上側(cè)90 mm和下側(cè)180 mm處交錯(cuò)射流工況火焰?zhèn)鞑DFig.14 Photo of flame propagation with staggered jet located 90 mm up and 180 mm down

3 結(jié) 論

1) 對(duì)于單股射流噴射的工況，射流障礙物增大流場(chǎng)湍流度的同時(shí)也會(huì)對(duì)火焰的傳播產(chǎn)生阻礙，存在一個(gè)最優(yōu)的延遲時(shí)間噴射射流使得總傳播時(shí)間最短。

2) 對(duì)于單側(cè)射流平行噴射的工況，兩股射流與其他數(shù)量射流相比具有更好的加速火焰效果，射流位置分別位于90 mm和270 mm處的工況有最短的DDT時(shí)間。

3) 對(duì)于兩側(cè)兩股射流的噴射形式，射流位置分別位于上側(cè)90 mm和下側(cè)180 mm處的交錯(cuò)射流有最短的DDT時(shí)間。

4) 對(duì)于所有射流噴射的工況，噴射位置靠近點(diǎn)火端時(shí)DDT時(shí)間較短，射流障礙物在火焰?zhèn)鞑コ跏茧A段加速效果明顯。

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