連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟波傳播過程試驗研究①

王 放，翁春生，李寶星，武郁文，鄭 權(quán)

(南京理工大學(xué) 瞬態(tài)物理國家重點實驗室，南京 210094)

0 引言

爆轟燃燒具有熱循環(huán)效率高和能量釋放速率快等優(yōu)點，因而受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。采用爆轟燃燒方式的發(fā)動機主要有脈沖爆轟發(fā)動機、駐定斜爆轟發(fā)動機、連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動機(CRDE-Continuous Rotating Detonation Engine)。與前兩者相比，CRDE只需單次點火，即可形成連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟波，從而實現(xiàn)發(fā)動機的持續(xù)工作[1]，具有結(jié)構(gòu)緊湊、推重比大等優(yōu)點，已成為國內(nèi)外的研究熱點。

國內(nèi)外學(xué)者在CRDE試驗研究方面，已開展了大量研究工作，俄羅斯科學(xué)院的Bykovskii[2-3]使用H2/Air混合物，在發(fā)動機內(nèi)壁面安裝15°收縮中心錐的試驗裝置上獲得了83 N推力，最大比沖值為2200 s。隨后，F(xiàn)rolov[4-5]在直徑為406 mm的大尺寸旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動機試驗裝置上，進行了H2/Air組合試驗，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)爆轟波在傳播過程中存在多種傳播模態(tài)，爆轟波波頭個數(shù)隨著氧化劑噴注面積增大而減少。

美國波音公司的Dyer[6]使用火花塞成功實現(xiàn)了H2/Air連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟波的起爆，并發(fā)現(xiàn)隨著推進劑質(zhì)量流量、當(dāng)量比、燃燒室壓力的變化，爆轟波會形成混合傳播模態(tài)，波頭數(shù)量隨推進劑質(zhì)量流量增大而增多。Thomas等[7]在連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動機上，安裝了一個預(yù)爆轟管，在預(yù)爆轟管中加裝了DDT增強裝置，用來加快DDT過程，成功實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)爆轟波的單向起爆。

劉世杰等[8-9]發(fā)現(xiàn)，切向噴注的熱射流并沒有直接誘導(dǎo)形成旋轉(zhuǎn)爆轟波，從點火到形成穩(wěn)定傳播的旋轉(zhuǎn)爆轟波之間存在時間間隔。張海龍等[10]基于無內(nèi)柱燃燒室，研究拉瓦爾噴管的收縮比對爆轟波傳播特性的影響，分析了旋轉(zhuǎn)爆轟與切向不穩(wěn)性之間的關(guān)系。鄭權(quán)等[11]通過對旋轉(zhuǎn)爆轟波傳播機理的分析，驗證了爆轟波存在三種傳播方式：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和雙波對撞；同時，他們開展了液態(tài)燃料的CRDE研究[12-13]。鄧?yán)萚14]試驗發(fā)現(xiàn)，連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟波在旋轉(zhuǎn)過程中能夠適應(yīng)當(dāng)量比的變化，其傳播速度與質(zhì)量流率和燃料與空氣供給的壓力比緊密相關(guān)。

盡管國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了多種起爆連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟波的方法，且獲得了連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟波的不同傳播模態(tài)，但對于旋轉(zhuǎn)爆轟波的形成和傳播機理，仍有待于進一步研究。本文采用充填H2/O2混氣的預(yù)爆轟管，成功起爆了CRDE，通過高頻壓力傳感器，獲得了連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟波的起爆、傳播以及熄爆全過程的高頻壓力曲線，分析了旋轉(zhuǎn)爆轟波的傳播速度和頻率在傳播過程的波動情況以及旋轉(zhuǎn)爆轟波起爆、傳播和熄爆過程。

1 試驗系統(tǒng)

本文所采用的連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動機如圖1所示，試驗系統(tǒng)主要由燃料供給系統(tǒng)、氧化劑供給系統(tǒng)、連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動機試驗裝置、預(yù)爆轟管以及高頻壓力傳感器組成。圖1中，氧化劑供給系統(tǒng)由3路組成；燃料供給系統(tǒng)中氧化劑和燃料單獨噴入前端集氣腔；H2/O2預(yù)爆轟管使用高能電火花點火，其內(nèi)部裝有擾流片，產(chǎn)生的爆轟波以切向噴入CRDE。

本文所采用燃料為H2，氧化劑為Air，燃料和氧化劑單獨噴入前端集氣腔后，氫氣通過均勻布置在內(nèi)壁面的60個直徑為0.8 mm的圓孔傾斜噴入，空氣通過一段收縮擴張的環(huán)縫噴入燃燒室，環(huán)縫喉部寬度為1.6 mm。環(huán)形燃燒室的內(nèi)外徑分別為78 mm和88 mm，燃燒室厚度為5 mm，燃燒室出口為常溫常壓。測量系統(tǒng)所用的高頻壓力傳感器分別標(biāo)記為P1、P2，如圖2所示。高頻壓力傳感器P1安裝在預(yù)爆轟管噴注位置，從發(fā)動機出口方向逆時針觀測，與噴注位置的角度為0°；高頻壓力傳感器P2安裝在與預(yù)爆轟管噴注位置成60°的位置。高頻壓力傳感器的采集頻率為500 kHz，傳感器的上升時間小于1 μs。

圖1 連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動機試驗裝置

圖2 高頻壓力傳感器安裝位置

2 試驗結(jié)果分析

2.1 CRDE工作過程分析

試驗采用預(yù)爆轟管起爆，試驗控制時序見圖3。首先，向預(yù)爆轟管內(nèi)噴注氫氣和氧氣，打開CRDE數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一段時間后，分別向CRDE分別噴注氫氣和空氣；然后，關(guān)閉預(yù)爆轟管的氫氣和氧氣，隨后對預(yù)爆轟管進行點火，點火后在預(yù)爆轟管內(nèi)形成初始爆轟波進入CRDE燃燒室，引爆噴注的氫氣和空氣混合物，形成自持傳播的連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟波，爆轟產(chǎn)物從出口排出。在發(fā)動機熄火過程中，首先切斷發(fā)動機的燃料，繼續(xù)注入空氣，以吹出燃燒室內(nèi)的剩余燃料，直至完全熄火。

圖3 CRDE試驗時序圖

當(dāng)H2、Air質(zhì)量流量為11.14、513.11 g/s時，成功起爆CRDE，且得到較好的試驗結(jié)果，此時當(dāng)量比為0.76。CRDE工作過程P2點壓力分布如圖4所示。696.87 ms時，采集到了第一個壓力峰值，約為2.4 MPa，該峰值即為預(yù)爆轟管所產(chǎn)生的初始爆轟波進入CRDE后傳播至測壓點P2時的壓力；910 ms時，高頻壓力信號開始衰減，發(fā)動機逐漸熄火。圖5為截取自圖4中850～855 ms范圍內(nèi)的高頻壓力曲線。由圖5可見，壓力波動較為均勻穩(wěn)定。在整個試驗過程中，高頻壓力信號持續(xù)存在并穩(wěn)定波動，說明本次試驗成功起爆，并實現(xiàn)了連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟波的自持傳播。

圖4 CRDE工作全程壓力曲線

圖5 局部壓力放大圖

2.2 CRDE起爆過程分析

圖6是連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟波起爆過程?？梢?，697 ms時，預(yù)爆轟管所產(chǎn)生的初始爆轟波進入CRDE，初始爆轟波的壓力峰值為3.7 MPa，在該爆轟波進入CRDE內(nèi)部時，并未在CRDE內(nèi)立刻形成連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟波，經(jīng)歷了約17 ms后，在714 ms時，P2點的壓力峰值上升至2 MPa以上，逐漸形成穩(wěn)定傳播的爆轟波，這與Kindracki等[15]所測得的高頻壓力信號定性一致。在697～714 ms內(nèi)，燃燒室內(nèi)經(jīng)歷了一個爆燃轉(zhuǎn)爆轟過程，測量點P1和P2的壓力峰值出現(xiàn)的順序多次更替?？梢?，燃燒波在膨脹解耦和爆轟波重新形成的過程中不斷碰撞、湮滅，再形成，沒有穩(wěn)定的傳播方向。

圖7是CRDE起爆時P1點壓力峰值分布圖，圖7中的藍色折線為壓力峰值變化圖，紅色柱狀圖對應(yīng)壓力峰值出現(xiàn)的時間。由圖7可見，壓力峰值的分布由疏到密，其數(shù)值也逐漸增大，說明CRDE內(nèi)壓縮波系逐漸匯合增強，不斷點燃CRDE內(nèi)部的燃料，至714 ms時，開始形成壓力較高的前導(dǎo)激波，不斷誘導(dǎo)引爆可燃混合氣體，最終形成穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)爆轟波。

圖6 連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟波起爆時壓力曲線

圖8是初始爆轟波剛傳入CRDE的壓力曲線，預(yù)爆轟管產(chǎn)生的爆轟波噴入CRDE環(huán)形燃燒室后，先后經(jīng)過了P1和P2，兩者的第一個壓力峰值的時間間隔是0.03 ms，通過P1和P2的距離和時間間隔計算得到預(yù)爆轟管傳入的爆轟波的初始速度約為1535.11 m/s。由圖8可見，P2點測得的壓力峰值比P1點的壓力峰值虧損了35.13%，且再往后壓力驟降，說明初始爆轟波進入CRDE后，并沒有維持爆轟波的形態(tài)繼續(xù)傳播，而是迅速解耦為膨脹波。這是由于預(yù)爆轟管內(nèi)產(chǎn)生的爆轟波從一個狹窄的入口噴入CRDE，因為CRDE的通道面積大于預(yù)爆轟管的噴孔面積，所以前導(dǎo)激波進入后經(jīng)歷一個面積突擴的階段，在CRDE內(nèi)立即膨脹解耦，壓力驟降，且產(chǎn)生膨脹擾動。

圖8 初始爆轟波壓力曲線

2.3 連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟波傳播過程分析

CRDW形成以后，在燃燒室內(nèi)高速周向傳播，不斷引爆預(yù)混可燃氣體，同時波后的壓力逐漸衰減，新鮮燃料不斷填充，從而使得旋轉(zhuǎn)爆轟波得以自持傳播。圖9是旋轉(zhuǎn)爆轟波傳播過程中P1和P2所測得的高頻壓力曲線。從圖9中可看到，壓力峰值的時序為P2-P1，此時爆轟波在燃燒室內(nèi)以順時針方向傳播，與預(yù)爆轟管產(chǎn)生的初始爆轟波方向相反。由此表明，爆轟波最終的傳播方向與初始爆轟波方向無關(guān)。

圖9 CRDW傳播過程壓力曲線

由于試驗所采用的高頻壓力傳感器響應(yīng)頻率較高，可精確捕捉到爆震波峰值出現(xiàn)的準(zhǔn)確時間。因此，基于同一點P1所測得的兩個相鄰峰值之間的時間間隔，可計算出旋轉(zhuǎn)爆轟波的瞬時傳播速度。

如圖9所示，根據(jù)兩波峰間的時間間隔Δt，由式(1)可計算得圖中第i個周期內(nèi)旋轉(zhuǎn)爆轟波的瞬時傳播速度為1439.17 m/s，波動范圍為1424.33～1454.32 m/s。

(1)

圖10分別為P1和P2點所測高頻壓力信號的FFT結(jié)果。由圖10可知，P1和P2點所測的高頻壓力信號的主頻均為5211.25 Hz，計算得到連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟波傳播平均波速為1439.97 m/s。從圖10可看出，燃燒室內(nèi)壓力信號分布比較集中，且P1和P2壓力測量信號的FFT結(jié)果一致，由此可判斷當(dāng)前工況下CRDE是穩(wěn)定工作的。

圖11是CRDE穩(wěn)定工作時的連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟波瞬時速度值分布圖。選取的時間為0.73～0.82 s，瞬時速度值通過式(1)計算得出。

(a) P1點傅里葉變換

(b) P2點傅里葉變換

圖11 CRDE穩(wěn)定工作時CRDW瞬時速度值圖

由圖11可見，兩個測量點的瞬時速度值分布較為集中，且保持連續(xù)，說明CRDE工作過程中以穩(wěn)定的單波模態(tài)傳播。經(jīng)計算所得，CRDE穩(wěn)定工作時兩測量點P1和P2的CRDW瞬時速度平均值分別為1434.9 m/s和1431.8 m/s，如表1所示。P2點的速度標(biāo)準(zhǔn)差稍大，說明該處的速度波動較P1更大，瞬時速度平均值與FFT結(jié)果所計算的速度值1439.97 m/s的誤差均在1%以內(nèi)，說明這兩種計算方法均可較準(zhǔn)確地計算CRDW的平均速度大小。

表1 CRDE穩(wěn)定工作時兩測量點CRDW瞬時速度值

2.4 連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟波熄爆過程

圖12為CRDE熄火過程P1點的壓力曲線。試驗中，通過切斷H2供應(yīng)，且繼續(xù)噴入空氣，來實現(xiàn)CRDE熄火。圖13是CRDW熄爆過程P1點壓力峰值和速度圖。

圖12 CRDW熄爆過程

圖13 CRDW熄爆過程P1點壓力峰值和速度圖

由圖12可見，905 ms時，P1點的壓力峰值為3.3 MPa。從圖13中可看到，905 ms時，爆轟波速度為1408.7 m/s，根據(jù)速度和壓力可判斷，在905 ms時，仍存在爆轟波。從900～905 ms，CRDE內(nèi)仍存在周期性傳播的爆轟波，905 ms以后，壓力曲線逐漸下降，至920 ms時，CRDE內(nèi)壓力逐漸趨于環(huán)境氣壓，說明CRDW已經(jīng)熄爆。如圖13所示，在熄爆過程中，P1點高頻壓力傳感器所測壓力峰值整體呈現(xiàn)出波動范圍變小、數(shù)值迅速降低的趨勢。同時，速度波動也逐漸增大，但速度的下降延遲于壓力的下降?？梢?，爆轟波并沒有立即解耦，由于H2不再供給，CRDE內(nèi)的可燃混氣被迅速消耗，CRDW在旋轉(zhuǎn)數(shù)周后，最終因燃料耗盡而熄爆。此時，CRDE內(nèi)爆轟產(chǎn)物仍有較大的周向速度。因此，仍存在周期性壓力振蕩。

3 結(jié)論

(1)在當(dāng)量比為0.76的工況下，試驗成功起爆，并獲得了穩(wěn)定傳播的連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟波，測得的連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟波傳播主頻為5211.25 Hz，波速為1439.97 m/s。

(2)試驗發(fā)現(xiàn)，預(yù)爆轟管點火時產(chǎn)生的初始爆轟波切向噴入CRDE后，并不能立即起爆CRDE，還要經(jīng)歷一段爆燃轉(zhuǎn)爆轟的過程。在此過程中，壓力峰值的分布由疏到密，其數(shù)值也逐漸增大，說明其內(nèi)壓縮波系逐漸匯合增強，直至開始形成前導(dǎo)激波，不斷誘導(dǎo)引爆可燃混氣，最終形成爆轟波。

(3)通過試驗數(shù)據(jù)分析了連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟波的熄爆過程。熄爆過程中測量點的壓力峰值整體呈現(xiàn)出波動范圍變小、數(shù)值迅速降低的趨勢；同時，速度波動也逐漸增大，但速度的下降延遲于壓力的下降?？梢姡Z波并沒有立即解耦，而是在旋轉(zhuǎn)數(shù)周后，才完全熄爆。

本文所做研究對連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動機的成功起爆、自持傳播和安全熄爆具有重要意義，可為連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動機的結(jié)構(gòu)設(shè)計和理論研究提供參考。