預(yù)爆震管工作特性實(shí)驗(yàn)研究

劉道坤，周勝兵，劉鄉(xiāng)蕓，馬 虎

(1.上海航天動(dòng)力技術(shù)研究所， 上海 201109； 2.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 南京 210094 )

旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)是一種基于爆震燃燒形式的新概念發(fā)動(dòng)機(jī)[1-2]。這類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)不僅具有爆震燃燒所具有的優(yōu)勢(shì)，如熱循環(huán)效率高和能量釋放率高等，還具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作頻率高、產(chǎn)生的推力穩(wěn)定、可實(shí)現(xiàn)推力矢量調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)[3]。相對(duì)于脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)，只需單次點(diǎn)火即可連續(xù)工作并產(chǎn)生穩(wěn)定的推力。因此具有非常廣闊的應(yīng)用前景[4-5]。

如何在最短時(shí)間和距離內(nèi)形成穩(wěn)定自持傳播的爆震波，對(duì)縮短發(fā)動(dòng)機(jī)有效長(zhǎng)度、延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間等方面具有重要的意義,也是目前旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)研究領(lǐng)域的熱門(mén)之一。應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)上的起爆方式較多[6-7]，其中預(yù)爆震管起爆以具有能量釋大、效率高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域。在實(shí)際工程應(yīng)用中，國(guó)防科技大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)以及南京理工大學(xué)，美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室等諸家國(guó)內(nèi)外單位在預(yù)爆震起爆旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)等應(yīng)用方面做過(guò)很多工作[8-18]。但是以上研究都沒(méi)有對(duì)預(yù)爆震管的工作特性以及影響管內(nèi)爆震波形成與發(fā)展的影響因素進(jìn)行探索。

本文將以動(dòng)態(tài)填充燃料和氧化劑的實(shí)驗(yàn)方法探索預(yù)爆震管的工作特性，并詳細(xì)分析不同阻塞比、不同管徑和不同當(dāng)量比工況下，預(yù)爆震管內(nèi)爆震波的形成以及發(fā)展過(guò)程。以期為進(jìn)一步研究旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)特性提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

本文所用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作示意圖如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由預(yù)爆震管、燃料供給系統(tǒng)、氧化劑供給系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作示意圖

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用氫氣為燃料，氧氣為氧化劑，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中分別通過(guò)工質(zhì)供給系統(tǒng)注入預(yù)爆震管中。為了更加接近預(yù)爆震管實(shí)際工作工況，所述實(shí)驗(yàn)均采用動(dòng)態(tài)氣體填充模式，即在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始點(diǎn)火階段前，控制系統(tǒng)預(yù)先開(kāi)啟燃料與氧化劑供給系統(tǒng)閥門(mén)，使預(yù)爆震管內(nèi)預(yù)先填充燃料與氧化劑預(yù)混氣體，同時(shí)保證爆震管右端平滑開(kāi)口，降低出口爆震波反射。預(yù)爆震管頭部布置一支點(diǎn)火能量為50 mJ火花塞用于點(diǎn)火起爆。預(yù)爆震管尾部出口附近布置兩支PCB高頻壓力傳感器，其靈敏度0.725 mV/kPa，諧振頻率大于550 kHz，感應(yīng)端面承受最大瞬時(shí)溫度1 650 ℃。在本實(shí)驗(yàn)中所有壓力傳感器信號(hào)均使用NI公司的USB-6366高頻數(shù)據(jù)采集模塊(DAQ)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，NI高頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有領(lǐng)先的USB總線(xiàn)技術(shù)且同步8通道模擬信號(hào)輸入，最大單通道采樣頻率為2 M/S，具有16位ADC分辨率。本文所用預(yù)爆震管長(zhǎng)度為500 mm，兩支壓力傳感器安裝座1和2之間相距100 mm，其中傳感器2距離預(yù)爆震管出口50 mm，且壓力傳感器采用平齊安裝模式，使得爆震波能平滑的掃過(guò)傳感器感應(yīng)端面，盡量減小了傳感器對(duì)爆震波面的干擾，且合理設(shè)置兩次實(shí)驗(yàn)間隔，降低壁面溫度升高帶來(lái)的熱沖擊對(duì)傳感器工作性能的影響，充分發(fā)揮了高頻測(cè)壓系統(tǒng)的高頻特性。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與分析

2.1 阻塞比對(duì)預(yù)爆震管工作特性的影響

為了研究阻塞比對(duì)預(yù)爆震管工作特性的影響，本節(jié)采用內(nèi)徑為12 mm，管長(zhǎng)為500 mm的預(yù)爆震管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，且設(shè)置上游燃料與氧化劑質(zhì)量流率恒定。預(yù)爆震管阻塞比示意圖如圖2所示，其中阻塞比Br定義為Shchelkin螺旋截面阻塞面積與預(yù)爆震管面積的比值，其計(jì)算方式依據(jù)式(1)；

(1)

其中R3表示預(yù)爆震管外壁面半徑，R2表示預(yù)爆震管內(nèi)壁面半徑，R1為擾流彈簧螺旋內(nèi)徑。

圖2 擾流螺旋阻塞比示意圖

本文所述實(shí)驗(yàn)過(guò)程中均選擇相同材質(zhì)和節(jié)距的Shchelkin螺旋結(jié)構(gòu)作為擾流裝置，且Shchelkin螺旋均采用頂端安裝方式進(jìn)行填塞，其安裝位置示意圖如圖3。

圖3 Shchelkin擾流螺旋安裝示意圖

表1所示為本次試驗(yàn)過(guò)程中3組不同阻塞比工況下實(shí)驗(yàn)參數(shù)與計(jì)算結(jié)果。

表1 不同阻塞比條件下的實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)與計(jì)算結(jié)果

圖4～圖6顯示了3組工況下所測(cè)爆震管出口壓力曲線(xiàn)圖。可以看出：工況1條件下，最大壓力峰值為1.5 MPa，計(jì)算管內(nèi)爆震波傳播速度為2 083 m/s，爆震波最大壓力峰值和傳播速度較工況2和工況3條件下低。從圖4所示壓力曲線(xiàn)可以看出，點(diǎn)火成功后壓力傳感器1所測(cè)壓力峰值為1.0 MPa，壓力傳感器2所測(cè)的壓力峰值為1.5 MPa，說(shuō)明該工況下預(yù)爆震管內(nèi)爆震波在傳播過(guò)程中存在發(fā)展階段，其強(qiáng)度不斷得到加強(qiáng)，當(dāng)繼續(xù)增大阻塞比為35.4%時(shí)，管內(nèi)爆震波最大壓力值與傳播速度也隨之增大，該工況下爆震波傳播過(guò)程與工況1傳播模態(tài)類(lèi)似，爆震波也存在一個(gè)逐漸強(qiáng)化的過(guò)程，計(jì)算爆震波傳播速度與最大壓力峰值為2 272 m/s和1.8 MPa，較工況1分別提高9%與20%。當(dāng)再次增加阻塞比為44%時(shí)，在點(diǎn)火成功過(guò)后，預(yù)爆震管內(nèi)能一次快速誘導(dǎo)形成爆震波，不存在爆震波強(qiáng)化發(fā)展過(guò)程，沿程壓力不斷上升，壓力傳感器所測(cè)爆震波局部壓力峰值達(dá)到2.5 MPa，計(jì)算傳播速度為2 340 m/s。實(shí)驗(yàn)表明：在本文所述工況下，在預(yù)爆震管內(nèi)布置合適的擾流裝置可以有效提高管內(nèi)爆震波傳播速度和強(qiáng)度，且爆震波壓力和傳播速度與管內(nèi)擾流裝置阻塞比成正比，主要因?yàn)辄c(diǎn)火成功后預(yù)爆震管內(nèi)擾流裝置增加了管內(nèi)流場(chǎng)的壓力脈動(dòng)和湍流燃燒強(qiáng)度，在一定程度上激發(fā)了爆震波的傳播和發(fā)展；同時(shí)本次試驗(yàn)工況下，采用動(dòng)態(tài)填充方式進(jìn)行燃料與氧化劑裝填后，流動(dòng)的工質(zhì)會(huì)在一定范圍內(nèi)強(qiáng)化燃燒火焰的湍流度，促進(jìn)了爆震波的傳播與發(fā)展。從上述計(jì)算結(jié)果可以看出，相比理論氫氧CJ爆震速度2 835 m/s而言，動(dòng)態(tài)填充模式下因試驗(yàn)所用預(yù)爆震管一段開(kāi)口，預(yù)爆震管內(nèi)的氫氧預(yù)混工質(zhì)在沿出口方向有宏觀運(yùn)動(dòng)速度，導(dǎo)致預(yù)混工質(zhì)在一定程度上有所損失，因此本試驗(yàn)工況下爆震波傳播速度存在一定虧損。

圖4 Br=25%工況下壓力曲線(xiàn)

圖5 Br=35.4%工況下壓力曲線(xiàn)

圖6 Br=44.4%工況下壓力曲線(xiàn)

2.2 管徑對(duì)預(yù)爆震管實(shí)驗(yàn)特性的影響

為研究預(yù)爆震管管徑對(duì)其工作特性的影響，本節(jié)試驗(yàn)分別采用內(nèi)徑為6 mm、12 mm和22 mm的3種預(yù)爆震管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。本次試驗(yàn)工況下不安裝擾流裝置，且設(shè)置上游燃料與氧化劑質(zhì)量流率恒定，其他參數(shù)均與2.1節(jié)實(shí)驗(yàn)工況保持相同，具體工況參數(shù)與計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 不同管徑條件下實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)與計(jì)算結(jié)果

圖7～圖9為3種不同工況下所測(cè)預(yù)爆震管內(nèi)壓力曲線(xiàn)圖，從曲線(xiàn)圖及表2計(jì)算結(jié)果中可以看出：不同管徑工況下預(yù)爆震管內(nèi)計(jì)算爆震波傳播速度及局部最大壓力峰值與管徑成正比，保持其他參數(shù)不變，當(dāng)預(yù)爆震管管徑達(dá)到22 mm時(shí)，爆震波的壓力峰值達(dá)到2.3 MPa，計(jì)算爆震波傳播速度為2 571 m/s，且該工況下管內(nèi)爆震波傳播過(guò)程中同樣存在逐漸強(qiáng)化的過(guò)程。同種工況下當(dāng)預(yù)爆震管管徑為12 mm時(shí)，爆震波壓力峰值為1.5 MPa，計(jì)算傳播速度為1 923 m/s，該工況下的爆震波壓力和計(jì)算傳播速度較工況3分別下降了34%和25%。

圖7 管徑22 mm工況下壓力曲線(xiàn)

圖8 管徑12 mm工況下壓力曲線(xiàn)

圖9所示為工況1條件下管內(nèi)爆震波壓力曲線(xiàn)圖，該工況下爆震波計(jì)算傳播速度為1 760 m/s，爆震波壓力峰值為1.4 MPa，且該工況下爆震波壓力和計(jì)算傳播速度較工況3分別下降了39%和31%。從上述試驗(yàn)結(jié)果可以得出：預(yù)爆震管的管徑越大，爆震波傳播過(guò)程中，其壓力越高，計(jì)算傳播速度越大，同時(shí)小管徑預(yù)爆震管也能一次性誘導(dǎo)形成爆震波，主要是該工況下使用氫-氧預(yù)混氣體，其工質(zhì)活性較高，能在短時(shí)間內(nèi)快速形成爆震波，但是，較小管徑工況下，壁面反射激波聚焦以及邊界層的相互作用對(duì)爆震管內(nèi)爆震波的傳播與發(fā)展有一定的阻滯作用，加上工質(zhì)動(dòng)態(tài)填充模式使得該工況下計(jì)算爆震波傳播速度以及強(qiáng)度較小且衰減較快，爆震波在該工況下難以自持傳播。

圖9 管徑6 mm工況下壓力曲線(xiàn)

2.3 當(dāng)量比對(duì)預(yù)爆震管工作特性的影響

為驗(yàn)證推進(jìn)劑工質(zhì)當(dāng)量比(當(dāng)量比∶工質(zhì)完全燃燒的所需燃料量與氧化劑量之比)對(duì)預(yù)爆震管工作特性的影響，本節(jié)實(shí)驗(yàn)采用內(nèi)徑為12 mm爆震管進(jìn)行研究，其他參數(shù)保持不變，且不安裝擾流裝置，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持預(yù)爆震管右段開(kāi)口以及上游氫氣與氧氣供氣源壓力恒定，通過(guò)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的時(shí)序控制單元以及氫氣與氧氣兩支輸氣管路中控制閥門(mén)而獲得不同工況下工質(zhì)流量，表3給出本次實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)與計(jì)算結(jié)果。

表3 不同當(dāng)量比條件下的實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)與計(jì)算結(jié)果

圖10～圖12顯示了3組工況下傳感器所測(cè)到管內(nèi)爆震波瞬時(shí)壓力曲線(xiàn)圖，可以看出，當(dāng)量比為0.8時(shí)，兩支壓力傳感器所測(cè)爆震波壓力相當(dāng)，即管內(nèi)爆震波在傳播過(guò)程中沿程不存在明顯的壓力躍升階段，且爆震波壓力衰減較快，其主要是因?yàn)樵谳^低當(dāng)量比工況下，預(yù)混工質(zhì)的活性較低，從而延長(zhǎng)了爆燃轉(zhuǎn)捩為爆震的時(shí)間，此外，當(dāng)工質(zhì)采用動(dòng)態(tài)填充時(shí)，由于燃料與氧化劑工質(zhì)爆震管內(nèi)預(yù)混氣體的宏觀流速也會(huì)導(dǎo)致推進(jìn)劑活性降低，管內(nèi)存在一定的能量和總壓損失，因此對(duì)爆震波的傳播和發(fā)展產(chǎn)生一定的影響。

圖10 當(dāng)量比0.8工況下壓力曲線(xiàn)

圖11 當(dāng)量比1.0工況下壓力曲線(xiàn)

圖12 當(dāng)量比1.4工況下壓力曲線(xiàn)

將當(dāng)量比提高為1.0時(shí)，從圖11中可以看出：第一支壓力傳感器所測(cè)爆震波壓力為1.0 MPa，第二支壓力傳感器所測(cè)爆震波傳播壓力峰值達(dá)到1.7 MPa，計(jì)算傳播速度為1 923 m/s，說(shuō)明在管內(nèi)爆震波傳播過(guò)程中存在一個(gè)快速發(fā)展的階段。繼續(xù)提高燃料與氧化劑的當(dāng)量比，其壓力曲線(xiàn)圖如圖12所示，即在工況3條件下，計(jì)算管內(nèi)爆震波波速達(dá)到2 380 m/s，壓力達(dá)到2.06 MPa，且該工況下，管內(nèi)能一次誘導(dǎo)形成爆震波，實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)量比為1.4時(shí)，在相同條件下氫氣的質(zhì)量流率變大，工質(zhì)的活性較高，富燃條件下在一定程度上提高了混合物的反應(yīng)強(qiáng)度和能量釋放率，使得管內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)更加劇烈，反應(yīng)更加充分，因此，在一定程度上促進(jìn)了爆震波形成與發(fā)展。

3 結(jié)論

1) 本文所述實(shí)驗(yàn)工況下，一定的阻塞比范圍內(nèi)，計(jì)算爆震波速和壓力與阻塞比成正比，即恰當(dāng)阻塞比有利于誘導(dǎo)爆震波的形成與發(fā)展。

2) 本文所述實(shí)驗(yàn)工況下，一定的管徑范圍內(nèi)，計(jì)算爆震波速和壓力與管徑成正比，當(dāng)預(yù)爆震管管徑為22 mm時(shí)，預(yù)爆震管出口壓力達(dá)到2.3 MPa，傳播速度為2 571 m/s。

3) 本文所述實(shí)驗(yàn)工況下，增加混合物當(dāng)量比，有利于提高反應(yīng)工質(zhì)的活性而快速誘導(dǎo)爆震波的形成，在當(dāng)量比為1.4時(shí)，爆震波的傳播速度為2 380 m/s，壓力達(dá)到2.06 MPa。