環(huán)縫寬度對旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性的影響*

徐 燦，鄧 利，馬 虎，余 陵

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

爆震是一種特殊的燃燒模式，反應(yīng)物在前導(dǎo)激波面的絕熱壓縮作用下，溫度和壓力迅速上升，當(dāng)達(dá)到燃燒所需條件后，發(fā)生快速化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)，在膨脹波作用下，爆震波向前傳播。爆震以其能量釋放速度快、熵增小、熱循環(huán)效率高等優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注。旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)（rotating detonation engine，RDE）是一種基于爆震的新型發(fā)動(dòng)機(jī)，通常采用圓環(huán)形燃燒室結(jié)構(gòu)，反應(yīng)物可通過預(yù)混或非預(yù)混2種方式噴注，只需要初始一次點(diǎn)火，就能產(chǎn)生高頻自持旋轉(zhuǎn)爆震波。最早由Voitsckhovskii驗(yàn)證了其可行性，在隨后幾十年的研究和發(fā)展中，雖然經(jīng)歷了一段相對沉寂的時(shí)期，但由于RDE的諸多優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、頻率高、工作范圍寬等，于二十一世紀(jì)初重新受到國內(nèi)外學(xué)者的重視。

目前，在與RDE相關(guān)的研究中，已經(jīng)開展了如下工作：點(diǎn)火過程[1-2]，燃料和氧化劑的混合效果[3]，內(nèi)流場結(jié)構(gòu)[4]，不同燃料類型[5-6]，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸[7]等。Rankin等[8]總結(jié)了美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室近幾年在RDE的研究中取得的成果，他們利用化學(xué)發(fā)光儀拍攝了環(huán)形燃燒室內(nèi)的旋轉(zhuǎn)爆震波，與數(shù)值計(jì)算得到的結(jié)果能較好地吻合，此外，第一次實(shí)現(xiàn)了RDE與渦輪的組合，結(jié)果證明：在大工況范圍內(nèi)，這種組合比傳統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)的表現(xiàn)更為突出。Andrus等[9]采用預(yù)混氣作為反應(yīng)物噴入發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明預(yù)混氣下的旋轉(zhuǎn)爆震波傳播速度與理論C-J速度值仍存在一定差距，認(rèn)為這是由于燃燒產(chǎn)物與反應(yīng)物混合，導(dǎo)致局部當(dāng)量比與全局當(dāng)量比存在差異，與非預(yù)混噴注下的結(jié)果相比，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作范圍有所減小。除此之外，數(shù)值模擬也是在研究RDE時(shí)常用的方法。Schwer等[10]，對不同進(jìn)口總壓和出口背壓下的發(fā)動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，認(rèn)為爆震波高度和質(zhì)量流率由進(jìn)口總壓決定，并分析了爆震波損失及出口背壓對爆震波影響較小的原因。在部分實(shí)驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算過程中，發(fā)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)爆震波存在不同傳播模態(tài)，而部分多波模態(tài)有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作頻率，使推力更加穩(wěn)定，可見，對傳播模態(tài)的研究具有一定意義。Frolov等[11]在大尺寸旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室（外徑為406 mm，環(huán)縫寬25 mm）中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究空氣進(jìn)氣環(huán)縫寬度（2、5、15 mm）對旋轉(zhuǎn)爆震波傳播特性的影響，結(jié)果表明：隨著空氣進(jìn)氣環(huán)縫寬度的增加，燃燒室內(nèi)的爆震波頭數(shù)從4個(gè)減少到1個(gè)，最終轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向振蕩燃燒，此外，還研究了出口阻塞比對發(fā)動(dòng)機(jī)推力性能的影響。Fotia等[12]對3種不同燃燒室寬度下的RDE開展實(shí)驗(yàn)，采用氫氣、乙烯2種燃料，分析了不同質(zhì)量流率和不同當(dāng)量比下的比沖、推力等參數(shù)的變化。劉世杰等[13]在大范圍工況內(nèi)，對2種不同噴注結(jié)構(gòu)的非預(yù)混RDE進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)合高頻壓力傳感器和高速攝影2種觀測手段，分析了同向（單波、雙波、混合單雙波）傳播模態(tài)[13]和雙波對撞傳播模態(tài)[14]下旋轉(zhuǎn)爆震波的特點(diǎn)。

目前，多數(shù)學(xué)者在實(shí)驗(yàn)中都是著眼于反應(yīng)物噴注總壓、出口背壓、燃燒室長度或噴管等因素對RDE工作特性的影響，而對氧化劑噴注面積及燃燒室環(huán)縫寬度的研究相對較少。因此，本文中將探索不同尺寸下，發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性的變化，主要分析的觀測結(jié)果包括高頻壓力信號(hào)、離子信號(hào)和高速攝影圖片。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

采用的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是自主設(shè)計(jì)和搭建的，如圖1所示，主要包括控制系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)模型、測量與采集系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)：由自主開發(fā)的時(shí)序控制程序?qū)崿F(xiàn)電磁閥的通斷控制和火花塞狀態(tài)的控制。

供氣系統(tǒng)：由高壓氣源和供氣管路組成，供氣管路主要包括減壓閥、電磁閥、限流喉道和管路等。調(diào)節(jié)減壓閥可以改變氣體的噴注壓力，從而達(dá)到改變反應(yīng)物質(zhì)量流率的目的；電磁閥用于控制管路的通斷。采用2個(gè)獨(dú)立的供氣系統(tǒng)分別為發(fā)動(dòng)機(jī)和預(yù)爆震管供氣。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Schematic of the experiment system

點(diǎn)火系統(tǒng)：主要由一根一定長度的預(yù)爆震管、火花塞和點(diǎn)火頭組成。預(yù)爆震管以氫氣為燃料，氧氣為氧化劑，垂直安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)外殼上。點(diǎn)火頭在接收到點(diǎn)火信號(hào)后，使火花塞在瞬時(shí)高壓的作用下放電，產(chǎn)生電火花，電火花點(diǎn)燃混合氣，緩燃波在管子中逐漸加速形成爆震波，爆震波進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)，點(diǎn)燃?xì)錃?空氣混合氣。

發(fā)動(dòng)機(jī)模型：圖2（a）是發(fā)動(dòng)機(jī)的軸向示意圖，圖中標(biāo)注了進(jìn)氣方向及出口“Exit”的位置，并說明了各部分結(jié)構(gòu)和各點(diǎn)的位置。氫氣通過周向均布的180個(gè)直徑為0.8 mm的小孔沿軸向噴注，空氣通過寬δ的收斂擴(kuò)張環(huán)縫沿徑向噴注，共采用3種不同尺寸的δ：1、1.5和2 mm。燃燒室采用一端封閉一端開口的圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，外徑do固定為196 mm，內(nèi)徑di共有3種不同尺寸：184、176和166 mm，對應(yīng)的燃燒室環(huán)縫寬度w分別為：6、10和15 mm。燃燒室軸向長度L=80 mm。圖2（b）是由高速攝影沿發(fā)動(dòng)機(jī)出口拍攝的照片，圖中編號(hào)1～4對應(yīng)于圖2（a）中的編號(hào)1～4，5是點(diǎn)P1和I1在周向上重合的位置，6是點(diǎn)P2和I2在周向上重合的位置，其中，4和5在同一直徑上，6和7在同一直徑上，且這2條直徑相互垂直。圖2（a）是沿圖2（b）中的6向垂直于4和5連線的方向觀察得到的，從圖2（a）和2（b）中可直觀地看出發(fā)動(dòng)機(jī)各部分結(jié)構(gòu)及測量點(diǎn)、安裝點(diǎn)的位置關(guān)系。

圖2 RDE結(jié)構(gòu)Fig. 2 Structure of RDE

測量與采集系統(tǒng)：采用壓阻式傳感器測量氫氣集氣腔、空氣集氣腔和燃燒室內(nèi)靜壓，2個(gè)PCB（型號(hào)均為113B24）分別測量燃燒室內(nèi)瞬時(shí)壓力，2個(gè)離子探針分別測量燃燒室內(nèi)火焰信號(hào)，這幾路信號(hào)均由NI采集卡采集，采樣頻率設(shè)置為1 000 000 s-1。此外，利用沿發(fā)動(dòng)機(jī)出口同軸布置的高速攝影（CCD）拍攝發(fā)動(dòng)機(jī)出口處火焰，采樣幀數(shù)設(shè)置為25 000 fps，曝光時(shí)間設(shè)置為39 μs。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)過程中，利用1路氫氣和2路空氣為RDE模型供氣，氫氣減壓閥出口處壓力約為2.45 MPa，質(zhì)量流率約為11.1 g/s，2路空氣減壓閥出口處壓力都在約3 MPa，總的空氣質(zhì)量流率約為410.4 g/s，燃料和氧化劑的總質(zhì)量流率約為421.5 g/s，當(dāng)量比約為0.927。為防止高溫爆震產(chǎn)物對PCB造成嚴(yán)重的熱損傷，將RDE工作時(shí)間限制在約0.2 s。下文的p1、p2分別表示P1、P2點(diǎn)的高頻壓力信號(hào)，I1、I2分別表示I1、I2點(diǎn)的高頻離子信號(hào)，pc表示Pc點(diǎn)的壓力信號(hào)，p(H2)、p(air)分別表示氫氣集氣腔、空氣集氣腔內(nèi)壓力，Φ表示反應(yīng)物的質(zhì)量通量，fd是燃燒室內(nèi)高頻壓力信號(hào)經(jīng)快速傅里葉變換得到的主頻。

表1是9個(gè)不同實(shí)驗(yàn)工況及結(jié)果。當(dāng)w=6 mm時(shí)，隨著δ由1 mm變化到2 mm，爆震波頭數(shù)呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢。此外，F(xiàn)FT結(jié)果顯示雙波模態(tài)時(shí)的爆震波主頻最高，其次是四波對撞，而單波的主頻最低，燃燒室內(nèi)靜壓與主頻大小的變化規(guī)律一致。當(dāng)w=10 mm時(shí)，爆震波的傳播過程較復(fù)雜，往往混合幾種不同模態(tài)。在工況4下，主要以同向雙波模態(tài)傳播，同時(shí)也存在對撞現(xiàn)象。工況5和工況6的結(jié)果相似，同為“單雙波交替/對撞”混合傳播模態(tài)，指的是在爆震波傳播過程中有單波和雙波的交替出現(xiàn)，同時(shí)也有類似于工況4的對撞現(xiàn)象。FFT結(jié)果顯示工況4～6的高頻壓力信號(hào)都有2個(gè)主頻，增大δ的值，爆震波主頻有下降趨勢，但變化不大。與工況2得到的雙波主頻相比，工況4～6的雙波主頻有所降低，造成這一現(xiàn)象的可能原因是多方面的，其中包括：隨著w值的增大，Φ值相應(yīng)減小，導(dǎo)致爆震波強(qiáng)度有所減弱；此外，空氣集氣腔內(nèi)壓力的變化也會(huì)導(dǎo)致空氣噴注壓力的變化，在不同噴注條件下得到的結(jié)果也不盡相同。當(dāng)w=15 mm時(shí)，3種空氣進(jìn)氣環(huán)縫寬度下，爆震波都以穩(wěn)定的四波對撞模態(tài)傳播，且主頻大小相近。此外，四波對撞傳播模態(tài)下，即：工況1、工況7、工況8、工況9，這4種工況的爆震波主頻差異不大，均在4 518～4 699 Hz范圍內(nèi)變化。從表中得知：在w一定的條件下，隨著δ的逐漸增大，p(H2)基本不變，而p(air)呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，可見，δ增大后，通氣面積增大，導(dǎo)致空氣噴入燃燒室的壓力發(fā)生相應(yīng)的變化，同樣，噴氣速度也會(huì)發(fā)生變化，這可能是造成這些不同實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的部分原因。

比較δ一致，w不同的工況下，燃燒室內(nèi)靜壓的大小，發(fā)現(xiàn)：隨著w的增大，燃燒室內(nèi)靜壓pc都是逐漸減小的。分析測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在δ一定的條件下，p(air)隨w的增大逐漸下降，使空氣噴注速度及壓力發(fā)生變化，且同一質(zhì)量流率下，增大w的值，反應(yīng)物質(zhì)量通量隨之下降，這可能是造成這一現(xiàn)象的部分原因。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果Table 1 Experimental parameters and results

圖 3中的（a）、（b）、（c）分別是單波模態(tài)（SW）、雙波模態(tài)（DW）、四波對撞傳播模態(tài)（FWC）的示意圖，圖中簡要給出了環(huán)形燃燒室及壓力測量點(diǎn)的位置。

圖4是工況3（SW）工況下，p(H2)、p(air)、pc及p1的曲線。開始時(shí)，為發(fā)動(dòng)機(jī)通冷流，p(H2)、p(air)及pc都處于平穩(wěn)狀態(tài)；待通氣穩(wěn)定后，觸發(fā)點(diǎn)火信號(hào)，如圖中“Ignition”所示，經(jīng)過一段時(shí)間的發(fā)展，p1出現(xiàn)高頻壓力波動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)開始工作，此時(shí)，p(H2)、p(air)及pc在高壓爆震波的影響下都有所上升，隨后，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定工作階段，這三路信號(hào)均維持在較平穩(wěn)的狀態(tài)。切斷空氣、氫氣供給后，集氣腔壓力和燃燒室內(nèi)靜壓都逐漸下降，p1逐漸恢復(fù)為0。整個(gè)工作過程持續(xù)的時(shí)間Δt約為0.121 s。

圖3 單波、雙波、四波對撞模態(tài)示意圖Fig. 3 The diagram of single wave (SW), double wave (DW)and four wave collision (FWC)

圖4 RDE工作過程壓力信號(hào)曲線Fig. 4 Curves of pressure signal during RDE working process

2.1 單波傳播模態(tài)

圖5是單波傳播模態(tài)（工況3）工況下，2 945.24～2 947.24 ms之間p1和p2的曲線。比較曲線相鄰峰值之間的時(shí)間間隔Δtsa和Δtsb，發(fā)現(xiàn)Δtsa明顯大于Δtsb，再對照圖2（b）中測壓點(diǎn)P1和P2的位置，可以判斷爆震波沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)傳播。FFT主頻f3=2 989 Hz，燃燒室中徑da=(do+di)/2=190 mm，根據(jù)燃燒室中經(jīng)計(jì)算的爆震波平均傳播速度va3=πdaf3=1 784 m/s。

圖6所示為p1經(jīng)短時(shí)傅里葉變換（short-time Fourier transform，STFT）后的結(jié)果。爆震波頻率在2 930 Hz附近較集中，與FFT變換得到的主頻相近，在接近發(fā)動(dòng)機(jī)工作尾聲時(shí)，頻率呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。

圖5 高頻壓力信號(hào)時(shí)程曲線Fig. 5 Histories of High frequency pressure signals

圖6 短時(shí)傅里葉變換結(jié)果Fig. 6 Short-time Fourier transform result

圖7所示為2 945.24～2 947.24 ms之間I1和I2的曲線。I1、I2初始上升點(diǎn)時(shí)間間隔大于，離子信號(hào)的初始上升點(diǎn)對應(yīng)于火焰前鋒[15]，根據(jù)離子信號(hào)測量點(diǎn)I1和I2的位置也可以判斷出爆震波傳播方向?yàn)轫槙r(shí)針。離子信號(hào)的FFT主頻也為2 989 Hz，與壓力信號(hào)的結(jié)果一致。圖中標(biāo)記的A和B分別為I1的初始上升點(diǎn)和I1的峰值點(diǎn)，A和B之間的時(shí)間差Δtab=0.067 ms。此外，在火焰前鋒循環(huán)一個(gè)周期內(nèi)，離子信號(hào)曲線既有單波峰，也會(huì)出現(xiàn)雙波峰或多個(gè)波峰，其中，第一個(gè)波峰是由于火焰前鋒面內(nèi)發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量離子和自由電子，導(dǎo)致燃燒產(chǎn)物離子濃度迅速上升，而隨后出現(xiàn)的多個(gè)波峰可能是由于爆震波在燃燒室內(nèi)反射，反射激波誘導(dǎo)殘余的反應(yīng)物發(fā)生二次燃燒[15]，導(dǎo)致離子濃度再次升高。

圖8所示為發(fā)動(dòng)機(jī)全程工作下的I1曲線，此時(shí)，I1曲線的峰值最大能達(dá)到約7 V。

圖9所示為爆震波循環(huán)一個(gè)周期內(nèi)連續(xù)的高速攝影圖片，時(shí)間分布約為2 945.564～2 945.924 ms，對應(yīng)于圖7中A點(diǎn)附近某一時(shí)刻開始的1個(gè)周期內(nèi)的火焰信號(hào)。從圖中可以直觀地看出，環(huán)縫內(nèi)只有1道爆震波，其傳播方向?yàn)轫槙r(shí)針，與從圖5及圖7中得出的結(jié)論一致。相鄰2張圖片中的火焰前鋒轉(zhuǎn)過的角度 θi3≈42°，由此計(jì)算爆震波瞬時(shí)傳播速度 vi3=π·0.19·θi3·25 000/360=1 741 m/s，與上述計(jì)算得到的 va3相差不大。

圖7 I1，I2點(diǎn)信號(hào)時(shí)程曲線Fig. 7 Histories of signals at I1 and I2 points

圖8 I1信號(hào)全程工作下的過程Fig. 8 The whole working process of I1 signal

圖9 高速攝影圖片F(xiàn)ig. 9 High speed photography

2.2 雙波傳播模態(tài)

圖10所示為工況2下，2 916.20～2 918.20 ms之間的壓力曲線p1和p2?？梢钥闯觯琾1和p2的壓力尖峰時(shí)間間隔Δtda和Δtab基本相等，與單波的結(jié)果明顯不同。爆震波主頻f2=5 057 Hz，平均傳播速度va2=πdaf2/2 = 1 509 m/s，低于單波模態(tài)下的爆震波平均傳播速度va3。這是由于以雙波模態(tài)工作的RDE，有2道爆震波同時(shí)消耗反應(yīng)物，對其中一道波而言，發(fā)動(dòng)機(jī)同一位置處的新鮮反應(yīng)物填充時(shí)間相對單波模態(tài)下更短，因此，化學(xué)反應(yīng)時(shí)間相對縮短，燃燒產(chǎn)生的熱量有所下降，導(dǎo)致單波的波速降低。圖5與圖10顯示的都是2 ms內(nèi)的壓力曲線，但對比2圖發(fā)現(xiàn)，后圖中曲線的周期數(shù)明顯多于前者。

圖11所示為p1的STFT結(jié)果，爆震波頻率在5 127 Hz附近較集中，這一頻率值與FFT結(jié)果較接近。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作初始階段，頻率逐漸上升；而在結(jié)束階段，頻率逐漸下降。

圖12所示為2 916.20～2 918.20 ms之間I1和I2的曲線。可以看出，離子信號(hào)初始上升點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)間間隔與也基本相等。圖中標(biāo)注的C、D分別是I1的初始上升點(diǎn)和最大值點(diǎn)，二者之間的時(shí)間間隔Δtcd= 0.051 ms。離子信號(hào)曲線也會(huì)出現(xiàn)單波峰或多波峰。

圖13所示為發(fā)動(dòng)機(jī)全程工作中I1的曲線，此時(shí)，I1的值明顯小于圖8所示單波的值，這也是由于：雙波模態(tài)下，對其中一道波而言，新鮮反應(yīng)物填充時(shí)間相對縮短，導(dǎo)致燃燒產(chǎn)生的離子和自由電子數(shù)量較少。

圖10 高頻壓力信號(hào)時(shí)程曲線Fig. 10 Histories of High frequency pressure signals

圖11 短時(shí)傅里葉變換結(jié)果Fig. 11 Short-time Fourier transform result

圖12 I1，I2點(diǎn)信號(hào)時(shí)程曲線Fig. 12 Histories of signals at I1 and I2 points

圖13 I1信號(hào)全程工作過程Fig. 13 The whole working process of I1 signal

圖14所示為圖12中C點(diǎn)附近某一時(shí)刻開始的連續(xù)高速攝影圖片。每張圖片中都清晰可見2道爆震波，分別用D1和D2表示。從圖10和12中分辨不出爆震波的傳播方向，但從高速攝影圖片可以清楚看出這2道爆震波均沿順時(shí)針方向傳播，且二者呈圓心對稱分布。對其中一道波而言，相鄰2張圖片的火焰前鋒轉(zhuǎn)過的角度 θi2≈37°，由此計(jì)算爆震波瞬時(shí)傳播速度 vi2=π·0.19·θi2·25 000/360=1 534 m/s，與上述計(jì)算得到的va2相差不大。

2.3 四波對撞傳播模態(tài)

圖14 高速攝影圖片F(xiàn)ig. 14 High speed photography

圖15是工況1下，2 833.80～2 835.80 ms之間的壓力曲線p1和p2。圖中標(biāo)注的E、F、G、H是按時(shí)間先后出現(xiàn)的壓力尖峰點(diǎn)，前2個(gè)點(diǎn)是p1的尖峰，后2個(gè)點(diǎn)是p2的尖峰，其分布特點(diǎn)與上述2個(gè)工況下的壓力曲線都存在明顯區(qū)別。對比工況1～3的3種不同模態(tài)下p1和p2的峰值，發(fā)現(xiàn)：四波對撞模態(tài)明顯低于單波和雙波模態(tài)下的值。這是由于，四波對撞模態(tài)下，燃燒室內(nèi)同時(shí)存在4道爆震波，當(dāng)前一道爆震波傳播過后，消耗掉新鮮反應(yīng)物，而下一道爆震波很快又傳播至相同的位置，導(dǎo)致新鮮反應(yīng)物的填充時(shí)間相對雙波模態(tài)進(jìn)一步縮短，且對撞會(huì)使爆震波強(qiáng)度有所衰減。

圖16所示為高頻壓力信號(hào)的STFT結(jié)果，可以看出，瞬時(shí)頻率在4 639 Hz附近較集中，但其大小不穩(wěn)定，在一定范圍內(nèi)變動(dòng)。同樣，接近發(fā)動(dòng)機(jī)工作尾聲，頻率是逐漸下降的。

圖15 高頻壓力信號(hào)時(shí)程曲線Fig. 15 Histories of High frequency pressure signals

圖16 短時(shí)傅里葉變換結(jié)果Fig. 16 Short-time Fourier transform result

圖17所示為2 833.80～2 835.80 ms之間的離子信號(hào)曲線I1和I2，小圖是大圖方框內(nèi)曲線的局部放大，圖中標(biāo)注了E、F、G、H這4點(diǎn)對應(yīng)時(shí)刻的位置。I1在E點(diǎn)和F點(diǎn)處的波動(dòng)很小，而I2在G點(diǎn)以后逐漸上升。對I2而言，從G點(diǎn)上升至最高點(diǎn)的時(shí)間（0.096 ms）與從最高點(diǎn)下降至零點(diǎn)的時(shí)間（0.107 ms）基本相等，這與單波、雙波模態(tài)有較大區(qū)別，后2種模態(tài)下，曲線的上升時(shí)間明顯短于下降時(shí)間。

圖18所示為發(fā)動(dòng)機(jī)全程工作下的I1曲線，曲線的峰值變化較大，且分布零散，與單波、雙波模態(tài)下的I1相比，此時(shí)I1的值最小。關(guān)于造成這一現(xiàn)象的原因可參照上文對壓力峰值較小的分析，且對撞后的爆震波強(qiáng)度削弱，導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度也隨之減弱。

圖17 I1和I2點(diǎn)信號(hào)時(shí)程曲線Fig. 17 Histories of signals at I1 and I2 points

圖18 I1全程工作過程Fig. 18 The whole working process of I1 signal

圖19所示為2 834.483～2 834.643 ms之間的連續(xù)高速攝影圖片。2 834.523 ms與圖15中E點(diǎn)時(shí)刻相近，此時(shí)，燃燒室環(huán)縫內(nèi)出現(xiàn)了4道明亮的火焰，分別用F1、F2、F3、F4標(biāo)出，與示意圖3（c）保持一致，其中，F(xiàn)1和F2沿逆時(shí)針方向傳播，F(xiàn)3和F4沿順時(shí)針方向傳播。首先，F(xiàn)1傳播至P1點(diǎn)時(shí)引起壓力擾動(dòng)，如圖15中的E點(diǎn)所示，隨著時(shí)間推移，這4道波兩兩對撞，即F1和F3，F(xiàn)2和F4對撞，如2 834.563 ms時(shí)的圖片所示，“Collision”表示波的對撞。對撞后的透射激波沿各自原來的方向繼續(xù)向前傳播，如2 834.603 ms時(shí)的圖片所示，F(xiàn)3又傳播至P1點(diǎn)引起圖15中F點(diǎn)處的壓力擾動(dòng)。隨后，F(xiàn)1傳播至P2點(diǎn)，引起G點(diǎn)處的壓力尖峰。緊接著F1與F4在2 834.683 ms時(shí)刻相撞，對撞后的F4又傳播至P2點(diǎn)，引起H點(diǎn)處的壓力波動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)全程工作中，不斷重復(fù)上述對撞/傳播的過程。對其中任意一道爆震波而言，其循環(huán)一個(gè)周期，都會(huì)在4個(gè)位置與方向相反的爆震波發(fā)生對撞，圖中出現(xiàn)對撞的時(shí)刻約為2 834.563、2 834.683、2 834.763 ms，每次對撞會(huì)產(chǎn)生2個(gè)沿圓心對稱的對撞點(diǎn)，因此，在一個(gè)周期內(nèi)，共會(huì)出現(xiàn)8個(gè)對撞點(diǎn)。

2.4 混合傳播模態(tài)

圖20所示為工況6下，2 877.30～2 883.50 ms之間的壓力曲線p1和p2。這一時(shí)間內(nèi)，爆震波以單雙波交替的形式傳播，其中，雙波頻率約為4 274 Hz，單波頻率約為2 911 Hz。在爆震波傳播過程中，還伴隨著對撞現(xiàn)象，如圖21所示，圖中p2出現(xiàn)2個(gè)緊鄰的壓力尖峰。如圖22所示，依據(jù)p1峰值對應(yīng)的時(shí)間間隔計(jì)算這幾個(gè)周期內(nèi)爆震波的平均頻率約為3 285 Hz，介于單波、雙波頻率值之間。圖23所示為p1的FFT結(jié)果，可以看出，頻率主要集中在3 319 Hz附近，其次，在4 373 Hz左右也較集中，除此之外，還存在其它較高的頻率值，如：2 943 Hz等。此工況下，爆震波的傳播過程較復(fù)雜，混合了雙波、單波及對撞幾種不同模態(tài)。

圖20 單雙波交替下的壓力曲線Fig. 20 Pressure signals of SW and DW alternation

圖21 對撞時(shí)的壓力曲線Fig. 21 Pressure signals of collision

圖22 高頻壓力信號(hào)時(shí)程曲線Fig. 22 High frequency pressure signals

圖23 傅里葉變換結(jié)果Fig. 23 Fourier transform result

3 結(jié) 論

本文中對不同環(huán)縫尺寸下的RDE開展了實(shí)驗(yàn)，共采用了3種燃燒室環(huán)縫寬度，并在每種燃燒室環(huán)縫寬度下改變空氣進(jìn)氣環(huán)縫寬度，通過分析壓力曲線、離子信號(hào)曲線和高速攝影圖片，得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)燃燒室環(huán)縫寬度較小時(shí)，隨著空氣進(jìn)氣環(huán)縫寬度的增加，爆震波頭數(shù)逐漸減少；當(dāng)燃燒室環(huán)縫寬度較大時(shí)，空氣進(jìn)氣環(huán)縫寬度的改變對爆震波傳播模態(tài)及壓力信號(hào)的主頻影響不大；

（2）雙波模態(tài)下的爆震波平均傳播速度低于單波模態(tài)下的值；對撞模態(tài)下的爆震波主頻介于雙波和單波的主頻之間；

（3）以四波對撞模態(tài)傳播的爆震波，在燃燒室內(nèi)同時(shí)存在2對以相反方向傳播的同向雙波，對撞過程中產(chǎn)生2個(gè)沿圓心對稱的對撞點(diǎn)，壓力峰值及離子信號(hào)峰值明顯低于單波和雙波模態(tài)下的值，且不同工況條件下的四波對撞的壓力信號(hào)主頻相差不多，在4 518～4 699 Hz范圍內(nèi)變化；

（4）在空氣進(jìn)氣環(huán)縫寬度不變的條件下，燃燒室內(nèi)靜壓隨燃燒室環(huán)縫寬度的增加而減小。