氧化劑中氧含量對(duì)氣液兩相旋轉(zhuǎn)爆轟影響的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究*

李寶星,舒慧明,李宏巖,趙鳳起,翁春生,古呈輝

(1. 西安近代化學(xué)研究所，西安 710065；2. 南京理工大學(xué) 瞬態(tài)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210094)

0 引言

隨著航空航天事業(yè)的飛速發(fā)展，人們對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的要求越來越高，亟待發(fā)展一種循環(huán)效率更高、推進(jìn)性能更優(yōu)越的動(dòng)力裝置。然而，爆轟燃燒能夠在極短時(shí)間內(nèi)釋放出大量能量，比傳統(tǒng)燃燒方式具有更高的熱力循環(huán)效率?；诒Z燃燒的旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)(rotating detonation engine，簡(jiǎn)稱RDE[1])利用旋轉(zhuǎn)的爆轟波壓縮預(yù)混燃料實(shí)現(xiàn)高效燃燒，在環(huán)形燃燒室上游形成一個(gè)或多個(gè)周向傳播的爆轟波，爆轟產(chǎn)物從尾部高速排出，從而產(chǎn)生推力的一種新型發(fā)動(dòng)機(jī)。

RDE已成為了國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，俄羅斯、美國(guó)、日本、中國(guó)等國(guó)家針對(duì)旋轉(zhuǎn)爆轟開展了大量實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真研究，并取得了豐富的研究成果。目前，對(duì)液態(tài)燃料實(shí)現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟的實(shí)驗(yàn)研究相對(duì)較少。其中，俄羅斯的Bykovskii等在液態(tài)丙烷或液態(tài)煤油為燃料、空氣為氧化劑的實(shí)驗(yàn)中，未能實(shí)現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟，主要是由于液態(tài)燃料需要經(jīng)歷霧化、摻混、蒸發(fā)等復(fù)雜過程，且反應(yīng)物活性較低；隨后，在空氣中添加額外氧氣(富氧空氣中的氧含量為50%)，提高反應(yīng)物活性后，才實(shí)現(xiàn)了這兩種燃料的連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟[2]。2016年采用煤油/空氣為燃料，其中空氣中加入少量氫氣，在直徑為503 mm、厚度為18 mm的大尺寸環(huán)形燃燒室內(nèi)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟，在不加氫氣條件下，也無法形成連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟[3]，說明在常溫條件下，液態(tài)燃料與空氣在環(huán)形燃燒室內(nèi)比較難實(shí)現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟。此外，波蘭的Kindracki也發(fā)現(xiàn)常溫下煤油與空氣混合物未能實(shí)現(xiàn)自持傳播的爆轟波，在空氣中加入少量氫氣后，爆轟波成功起爆[4]。國(guó)內(nèi)的國(guó)防科技大學(xué)王迪等人開展煤油兩相旋轉(zhuǎn)爆轟實(shí)驗(yàn)研究，當(dāng)煤油流量為78 g/s，氧氣流量為224.0 g/s，空氣流量為72.5 g/s(氧含量為81.2%)，當(dāng)量比為1.083時(shí)，爆轟波以單波形式傳播，平均波速為649 m/s；以氧氣為氧化劑時(shí)，爆轟波以雙波形式傳播，波速高達(dá)1848 m/s[5]。南京理工大學(xué)的鄭權(quán)等成功實(shí)起爆并實(shí)現(xiàn)了汽油/富氧空氣連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟實(shí)驗(yàn)，爆轟波傳播頻率為2.1～2.4 kHz，傳播速度為1022.2～1171.8 m/s。在工況范圍內(nèi)，爆轟波的傳播速度隨總推進(jìn)劑的質(zhì)量流量增大而增加[6]，并開展雙波對(duì)撞模態(tài)下推力測(cè)試，爆轟波平均傳播速度為1051 m/s，發(fā)動(dòng)機(jī)獲得的有效推力為607.3 N，燃料比沖為735.1 s[7]。李寶星等開展了氣液兩相旋轉(zhuǎn)爆轟數(shù)值模擬研究，模擬出燃燒室內(nèi)爆轟波的傳播過程及流場(chǎng)的變化特性[8]。

綜上可知，在氣液兩相旋轉(zhuǎn)爆轟過程中，混合物的反應(yīng)活性起著決定性作用，不僅影響爆轟波的傳播特性，當(dāng)活性偏低甚至?xí)?dǎo)致無法成功起爆。目前，氧化劑中氧含量對(duì)氣液兩相旋轉(zhuǎn)爆轟的影響尚不清晰，因此，本文采用守恒元與求解元的計(jì)算方法(conservation element and solution element method，簡(jiǎn)稱CE/SE方法)對(duì)液態(tài)汽油和富氧空氣為預(yù)混燃料的氣液兩相旋轉(zhuǎn)爆轟二維流場(chǎng)進(jìn)行求解，分析氧化劑中氧含量對(duì)氣液兩相旋轉(zhuǎn)爆轟波起爆與傳播特性的影響，為液態(tài)燃料RDE的研究提供一定的理論支撐。

1 兩相旋轉(zhuǎn)爆轟理論模型

旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用環(huán)形燃燒室，為了問題的簡(jiǎn)化，截取環(huán)形燃燒室中間層的圓柱面，沿著圓柱面的母線展開，獲得的二維矩形計(jì)算模型如圖1所示[8]。圖1中，x軸和y軸分別表示燃燒室的周向和軸向，長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)和H；左右端通過周期邊界相連，下端為新鮮預(yù)混燃料入口邊界，上端為排氣邊界。

圖1 兩相旋轉(zhuǎn)爆轟二維流場(chǎng)計(jì)算模型Fig.1 Two dimensional flow field calculation model of two-phase rotating detonation

1.1 基本假設(shè)

氣液兩相連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟過程十分復(fù)雜，為簡(jiǎn)化計(jì)算，在流場(chǎng)計(jì)算過程中，提出以下假設(shè)[8]：

(1)將液態(tài)燃料視為液滴，液滴與氧化劑充分預(yù)混合；

(2)計(jì)算過程中忽略粘性以及與壁面的熱傳導(dǎo)；

(3)液滴在蒸發(fā)、剝離過程中保持為球狀，液滴間互不影響，且溫度均勻分布；

(4)液滴在激波掃過后仍保持球狀，在氣流作用下發(fā)生剝離；

(5)液滴蒸發(fā)剝離的氣體與氧化劑瞬間完成混合。

1.1 基本假設(shè)

根據(jù)上述假設(shè)，氣液兩相連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟的控制方程為[9-10]

(1)

總能E1、E2分別為

(2)

式中Cvi(i=1，2，3，4，5)分別為氧氣、汽油蒸氣、二氧化碳、水蒸氣和氮?dú)獾亩ㄈ荼葻?；Yi為相應(yīng)組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Cv為汽油液滴的定容比熱。

在爆轟過程中，液滴通過剝離和蒸發(fā)對(duì)氣相質(zhì)量的貢獻(xiàn)率md為[11]

(3)

式中r0為燃料液滴半徑；N為單位體積內(nèi)液滴個(gè)數(shù)。

液滴半徑變化率由剝離和蒸發(fā)兩部分組成[11]：

(4)

式中μ、η分別為氣體粘度和液滴粘度；λ為氣體熱傳導(dǎo)系數(shù)；Nu為努塞爾(Nusselt)數(shù)；T為溫度；L為液滴的蒸發(fā)潛熱。

Nu=2+0.6Re1/2Pr1/3

(5)

(6)

式中Pr為普朗特?cái)?shù)；V為速度矢量，|V1-V2|=[(u1-u2)2+(v1-v2)2]1/2。

氣相與液滴群之間的周向和軸向作用力Fx、Fy分別為[11]

(7)

(8)

其中，CD為阻力系數(shù)，表達(dá)式為

(9)

假設(shè)汽油為辛烷單一組分，辛烷的一步化學(xué)反應(yīng)方程式為[12]

aC8H18+12.5aO2+bN2→8aCO2+9aH2O+bN2

(10)

(11)

式中A為化學(xué)反應(yīng)指前因子；m、n為反應(yīng)級(jí)數(shù)；Ea為活化能；Ru為普適氣體常數(shù)。

根據(jù)式(11)求得汽油蒸氣質(zhì)量消耗速率，相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)釋熱量Qcomb為

(12)

式中qf為汽油蒸氣的熱值，等于4.6×107J/kg。

氣相與液滴群之間的對(duì)流傳熱Qcomv為[11]

(13)

2 計(jì)算方法及初始條件和邊界條件

2.1 計(jì)算方法

本文采用的守恒元與求解元的方法[9](簡(jiǎn)稱CE/SE方法)是求解強(qiáng)間斷問題的一種新方法。其計(jì)算格式簡(jiǎn)單、精度高、捕捉爆轟波等強(qiáng)間斷能力強(qiáng)，在求解爆轟等強(qiáng)斷面物理問題方面已有很多成功算例[10-12]。旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)爆轟波為強(qiáng)間斷，利用CE/SE方法計(jì)算有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其詳細(xì)計(jì)算格式見文獻(xiàn)[9]。

2.2 初始條件、邊界條件及源項(xiàng)的處理

初始條件：如圖1所示，初始溫度和壓力分別288.15 K和0.1 MPa，紅色區(qū)域1為點(diǎn)火區(qū)域，將高溫高壓及高速周向氣流作為點(diǎn)火條件；藍(lán)色區(qū)域2為新鮮預(yù)混燃料；其他區(qū)域?yàn)楦谎蹩諝狻?/p>

邊界條件：下端填充邊界，填充壓力為p0，溫度為T0=288.15 K。假設(shè)氣相與液相以相同填充速度進(jìn)入燃燒室，邊界臨近處的計(jì)算壓力為p，填充邊界分三種情況：(1)當(dāng)p≥p0時(shí)，此時(shí)預(yù)混燃料不能進(jìn)入燃燒室，按固壁邊界處理；(2)當(dāng)pcr

計(jì)算域的上端為排氣邊界，使用無反射自由邊界條件，分為兩種：當(dāng)出口為超聲速時(shí)，出口邊界狀態(tài)根據(jù)二階外推得到；當(dāng)出口為亞聲速時(shí)，出口壓力等于環(huán)境壓力(0.1 MPa)。左右邊界即為周期邊界(左右兩邊物理參數(shù)相同)。

源項(xiàng)的處理：由于化學(xué)反應(yīng)特征時(shí)間遠(yuǎn)小于物理特征時(shí)間，其源項(xiàng)具有剛性，利用四階龍格庫(kù)塔法處理源項(xiàng)[9]。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

如圖2所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由液態(tài)燃料連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)模型、點(diǎn)火系統(tǒng)、供氣/供油系統(tǒng)、推力測(cè)試平臺(tái)、采集系統(tǒng)等幾部分組成。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.2 Experimental system diagram

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)采用環(huán)形燃燒室，燃燒室內(nèi)外徑分別120 mm和153 mm，長(zhǎng)度為240 mm。在燃燒室上游外壁齊平安裝4個(gè)高頻壓力傳感器PCB1、PCB2、PCB3及PCB4，以PCB1定義為0°，從發(fā)動(dòng)機(jī)出口方向逆時(shí)針方向觀測(cè)，4個(gè)傳感器分別位于0°、60°、120°和240°，如圖3所示。PCB采樣頻率設(shè)定為500 kHz，上升時(shí)間小于等于1.0 μs。發(fā)動(dòng)機(jī)采用切向安裝的氫氣/氧氣微小型脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)(簡(jiǎn)稱PDE)作為點(diǎn)火起爆裝置。

圖3 壓力傳感器與點(diǎn)火裝置的相對(duì)位置Fig.3 Relative position of pressure sensor and ignition device

3.2 推進(jìn)劑供給系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)中采用的Air、H2、O2分別存儲(chǔ)于高壓罐、高壓氫氣瓶和高壓氧氣瓶?jī)?nèi)。煤油燃料存儲(chǔ)于高壓反應(yīng)釜內(nèi)，在高壓氮?dú)鈹D壓作用下，通過環(huán)形陣列形式分布的噴嘴噴注進(jìn)入燃燒室。推進(jìn)劑供給系統(tǒng)分別由高壓氣源、減壓閥、電磁閥、流量計(jì)和單向閥等部件組成。在工質(zhì)供應(yīng)過程中，通過調(diào)節(jié)供應(yīng)管路上的減壓閥出口壓力，來調(diào)節(jié)推進(jìn)劑質(zhì)量流量和當(dāng)量比。質(zhì)量流量通過流量計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，推進(jìn)劑供應(yīng)時(shí)間由電磁閥控制。

3.3 控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在實(shí)驗(yàn)過程中，采用自行設(shè)計(jì)的單片機(jī)來控制推進(jìn)劑的供給時(shí)間和點(diǎn)火時(shí)間。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要完成推進(jìn)劑質(zhì)量流量和燃燒室內(nèi)高頻壓力信號(hào)的實(shí)時(shí)采集。實(shí)驗(yàn)時(shí)序如圖4所示，在實(shí)驗(yàn)過程中，首先開啟采集系統(tǒng)；隨后為發(fā)動(dòng)機(jī)提供Air/O2(富氧空氣)；待來流穩(wěn)定后，向點(diǎn)火裝置內(nèi)噴注H2/O2，同時(shí)向發(fā)動(dòng)機(jī)噴注燃料；完成H2/O2填充后，進(jìn)行點(diǎn)火。發(fā)動(dòng)機(jī)熄火時(shí)，關(guān)閉燃料和氧氣，并持續(xù)噴注空氣數(shù)秒。

圖4 液態(tài)燃料旋轉(zhuǎn)爆轟實(shí)驗(yàn)控制時(shí)序Fig.4 Control sequence of liquid fuel roating detonation experiments

4 結(jié)果與分析

4.1 氣液兩相旋轉(zhuǎn)爆轟流場(chǎng)分析

在燃燒室周向長(zhǎng)度L和軸向長(zhǎng)度H分別為300 mm和100 mm，計(jì)算網(wǎng)格數(shù)取 ，以汽油/富氧空氣為燃料(其中富氧空氣中氧氣質(zhì)量含量為30%)，在等化學(xué)當(dāng)量比，填充壓力為p0=0.3 MPa，溫度為T0=288.15 K，液滴半徑為25 μm的條件下，對(duì)爆轟波的起爆與傳播過程的流場(chǎng)進(jìn)行分析。點(diǎn)火后燃燒室內(nèi)不同時(shí)刻的壓力和溫度分布如圖5所示。

(a) t=0 μs

由圖5可見，t=0 μs時(shí)，在0≤x≤20 mm,0≤y≤30 mm區(qū)域內(nèi)賦予點(diǎn)火參數(shù)。點(diǎn)火后，很快就形成向x+方向傳播的爆轟波，在t=67 μs時(shí)刻，燃燒室內(nèi)最高壓力約為4.8 MPa，最高溫度為3400 K，爆轟波在傳播的同時(shí)，波前不斷填充新鮮燃料。在t=162 μs時(shí)刻，爆轟波壓力峰值為3.8 MPa，對(duì)應(yīng)溫度峰值為3140 K，此時(shí)爆轟波傳播速度為1400 m/s，表明已達(dá)到爆轟狀態(tài)。隨著爆轟波的繼續(xù)傳播，波后的壓力逐漸衰減，當(dāng)波后壓力低于填充壓力時(shí)，即開始填充新鮮的燃料，此時(shí)在波后壓力較低區(qū)域已經(jīng)形成一定高度的燃料層。t=194 μs時(shí)，爆轟波已傳播一周，此時(shí)爆轟波處的壓力和溫度分別為3.7 MPa和3200 K，波前所形成的新鮮燃料層，維持爆轟波的繼續(xù)傳播。直至t=448 μs時(shí)，燃燒室內(nèi)形成較為穩(wěn)定的爆轟波，此時(shí)爆轟波壓力峰值為4.0 MPa，溫度峰值為3050 K。

圖6為燃燒室內(nèi)x=200 mm、y=4 mm處壓力和溫度時(shí)程曲線。由圖6可知，點(diǎn)火之后一共循環(huán)了12個(gè)周期，該點(diǎn)處壓力和溫度隨著爆轟波傳播呈周期性變化，并且爆轟波波陣面處高壓、高溫間斷面相互耦合，凸顯了爆轟波的基本特征。但前3個(gè)周期爆轟壓力峰值和溫度峰值存在明顯波動(dòng)，尚未形成穩(wěn)定爆轟。從730 μs到2244 μs，爆轟壓力峰值和溫度峰值較為平穩(wěn)，表明燃燒室內(nèi)已達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的爆轟狀態(tài)。該時(shí)段內(nèi)，爆轟波一共經(jīng)歷了8個(gè)周期，通過每個(gè)周期內(nèi)的峰值和達(dá)到時(shí)間，計(jì)算得到爆轟波壓力峰值、溫度峰值以及傳播速度平均值分別為4.2 MPa、3052.0 K、1585.1 m/s，對(duì)應(yīng)的爆轟波平均傳播頻率為5284 Hz?；谶M(jìn)入燃燒室內(nèi)新鮮燃料層的溫度(277 K)和壓力(0.24 MPa)，通過CEA計(jì)算獲得辛烷蒸汽的爆轟CJ理論壓力、溫度和速度分別為5.0 MPa、3120 K以及1900 m/s，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與CEA結(jié)果對(duì)比，相對(duì)誤差分別為-22.2%、-2.2%、-16.5%?？梢姡瑪?shù)值計(jì)算得到的壓力、溫度和速度相對(duì)于氣相爆轟理論值偏低。與氣相爆轟相比，在氣液兩相爆轟過程中，當(dāng)爆轟波掃過氣液兩相預(yù)混燃料時(shí)，燃料液滴需經(jīng)歷剝離、蒸發(fā)以及燃燒中相間的相互作用、化學(xué)反應(yīng)等一系列的復(fù)雜物理化學(xué)過程[5]。由于液滴的剝離和蒸發(fā)的特征時(shí)間比化學(xué)反應(yīng)的特征時(shí)間長(zhǎng)得多，因此剝離和蒸發(fā)的特征時(shí)間決定了能量的釋放速率，以至于氣液兩相爆轟波陣面具有較長(zhǎng)的化學(xué)反應(yīng)區(qū)[15]；當(dāng)液滴半徑較大時(shí)，由于液相蒸發(fā)和反應(yīng)的延遲，兩相爆轟波結(jié)構(gòu)通常含雙峰結(jié)構(gòu)。此外，由于氣相與液滴之間的相互作用以及液滴的蒸發(fā)吸熱，對(duì)兩相爆轟壓力、溫度及速度帶來一定損耗，因此導(dǎo)致兩相爆轟波參數(shù)與氣相爆轟理論值相比偏低[14]。

圖6 燃燒室內(nèi)x=250 mm，y=4 mm處壓力和溫度時(shí)程曲線Fig.6 Time history curve of pressure and temperature in combustion chamber at x=250 mm, y=4 mm

圖7為t=1673 μs時(shí)刻，燃燒室內(nèi)壓力、溫度、氧氣含量、液滴半徑、周向氣流速度分量以及軸向氣流速度分量流場(chǎng)云圖。其中，圖7(a)為壓力流場(chǎng)分布云圖，此時(shí)爆轟波傳播至入口x=250 mm處，爆轟波波陣面處壓力峰值高達(dá)4.1 MPa；而斜激波出口處的前端壓力值最低，僅0.14 MPa，由于爆轟產(chǎn)物通過斜激波向出口膨脹，距離斜激波越遠(yuǎn)爆轟產(chǎn)物膨脹越充分，且斜激波是引起燃燒室出口參數(shù)出現(xiàn)波動(dòng)的主要因素。圖7(b)為溫度云圖，其中1是爆轟波，2是斜激波，3是斜激波和爆轟產(chǎn)物接觸間斷面，4是爆轟產(chǎn)物，5是新鮮預(yù)混燃料，6是爆轟產(chǎn)物與預(yù)混燃料的接觸面。燃燒室內(nèi)最高溫度高達(dá)3050 K，出現(xiàn)在爆轟波波陣面處；波陣面前已經(jīng)形成“三角形”新鮮燃料層，溫度約為275 K。圖7(c)和(d)顯示，接觸面處氧氣含量和液滴半徑明顯減小，亦能反映出接觸面上發(fā)生了爆燃；在燃燒室出口附近，氧氣含量幾乎為零，表明燃?xì)鈧鞑サ匠隹跁r(shí)已完全反應(yīng)。從溫度、氧氣含量以及液滴半徑分布可看出，爆轟波高度約為40 mm。

(a) Pressure (b) Temperature

圖8為燃燒室入口處的氣相和液滴參數(shù)分布曲線。其中，從圖8(a)可見，當(dāng)爆轟波掃過氣液預(yù)混燃料時(shí)，氣相周向氣流速峰值785 m/s，氣相周向速度峰值出現(xiàn)在爆轟波陣面處，而液滴周向最大速度為210 m/s，并且液滴出現(xiàn)峰值速度的位置要滯后于氣相峰值速度出現(xiàn)的位置；隨著波后壓力逐漸衰減，爆轟產(chǎn)物通過側(cè)向膨脹，在相反的周向氣流速度逐漸增大，當(dāng)壓力下降到與噴注壓力相等時(shí)，入口處氣相周向速度達(dá)到反向最大值為410 m/s。從圖8(c)中看出，在爆轟波掃過液滴時(shí)，液滴通過剝離和蒸發(fā)，液滴半徑從25 μm減小至0 μm，液滴變成燃料蒸汽，氣相體積分?jǐn)?shù)增加至1.0。在氣液預(yù)混燃料填充過程，由圖8(b)可知，氣相和液滴以相同速度噴注，進(jìn)入燃燒室后，由于爆轟波的傳播和側(cè)向膨脹的影響，氣相和液相之間存在梯度差，相互之間存在一定的作用，使得兩者之間逐漸存在速度差，從整體上看，在燃燒室內(nèi)的新鮮預(yù)混燃料層內(nèi)氣相的軸向速度略大于液滴的軸向速度，在新鮮預(yù)混燃料即將進(jìn)入燃燒室內(nèi)時(shí)(150～200 mm處)，氣相和液滴的軸向速度均在一定波動(dòng)，而波前形成穩(wěn)定的新鮮預(yù)混燃料層內(nèi)氣相和液相的周向速度都趨于零。

(a) Circumferential velocity (b) Axial velocity (c) Volume fraction and droplet radius

4.2 氧氣質(zhì)量含量對(duì)旋轉(zhuǎn)爆轟的影響

為了研究氧含量對(duì)兩相旋轉(zhuǎn)爆轟特性的影響，在其他條件一致的情況下，分別對(duì)氧化劑中氧氣質(zhì)量含量為25%、30%、35%及40%條件下的旋轉(zhuǎn)爆轟流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。氧化劑中氧氣質(zhì)量含量對(duì)爆轟參數(shù)的影響如表1所示。當(dāng)氧氣質(zhì)量含量為25%時(shí)，燃燒室內(nèi)并未形成連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟波，主要是由于氧氣質(zhì)量含量會(huì)直接影響反應(yīng)物的反應(yīng)活性，當(dāng)反應(yīng)活性偏低，氣液兩相旋轉(zhuǎn)爆轟波難以形成[13]。當(dāng)氧氣質(zhì)量含量大于30%，均能成功起爆，以單波模態(tài)傳播；當(dāng)氧氣質(zhì)量含量從30%增加到35%，反應(yīng)物活性增加，燃燒更加劇烈，使得爆轟強(qiáng)度增大，爆轟壓力、溫度及爆轟波速度均增加。當(dāng)氧氣質(zhì)量含量進(jìn)一步增加到40%時(shí)，雖然成功起爆，但爆轟波最終以雙波對(duì)撞模態(tài)傳播。由于兩相反傳播的爆轟波不斷發(fā)生對(duì)撞，造成能量損失，導(dǎo)致爆轟強(qiáng)度衰減十分嚴(yán)重，此時(shí)爆轟壓力和溫度分別為3.04 MPa和3030 K，爆轟波傳播速度衰減至974.0 m/s。

表1 氧化劑中氧氣質(zhì)量含量對(duì)爆轟參數(shù)的影響

氧化劑中氧氣質(zhì)量含量為40%時(shí)，燃燒室內(nèi)雙波對(duì)撞模態(tài)的形成與傳播過程的流場(chǎng)云圖如圖9所示。點(diǎn)火后，迅速形成了單方向傳播的爆轟波，波后的壓力逐漸衰減，新鮮預(yù)混燃料開始進(jìn)入燃燒室，與波后高溫產(chǎn)物接觸，由于混合物中氧氣含量較高，在高溫條件下，反應(yīng)物的反應(yīng)活性大大提高，立即形成局部熱點(diǎn)。隨著爆轟波的傳播和新鮮燃料的噴入，在343.1 s時(shí)刻，燃燒室內(nèi)形成多個(gè)熱點(diǎn)，促進(jìn)了多個(gè)爆轟波的形成；最終在723.8 s時(shí)刻，燃燒室內(nèi)形成兩個(gè)相向傳播的爆轟波，隨后爆轟波在50 mm處發(fā)生碰撞。碰撞后，前導(dǎo)激波分別進(jìn)入彼此的爆轟產(chǎn)物中形成透射激波，碰撞位置附近存在一段堵塞階段，而距離碰撞點(diǎn)較遠(yuǎn)處已經(jīng)開始噴入新鮮預(yù)混燃料，透射激波接觸新鮮預(yù)混燃料，形成新的熱點(diǎn)進(jìn)而發(fā)展成為爆轟波。新的爆轟波在傳播過程中，燃料層高度的逐漸增大促使爆轟波高度也提高，爆轟強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，隨后在200 mm處再次發(fā)生碰撞。爆轟波最終以雙波對(duì)撞模態(tài)傳播，對(duì)撞點(diǎn)分別為50 mm和200 mm處。此外，從流場(chǎng)云圖還可以看出，爆轟波在雙波對(duì)撞傳播過程中，爆轟強(qiáng)度、爆轟波的高度、壓力以及溫度在不斷的發(fā)生周期性的變化。

(a) Pressure (b) Temperature

4.3 實(shí)驗(yàn)過程中氧含量對(duì)爆轟波起爆特性的影響

數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)富氧空氣中氧氣質(zhì)量含量為30%時(shí)，旋轉(zhuǎn)爆轟波才能夠成功起爆，并自持傳播。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在汽油/富氧空氣兩相旋轉(zhuǎn)爆轟實(shí)驗(yàn)中控制富氧空氣中氧氣質(zhì)量含量均在30%以上開展點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)。當(dāng)空氣質(zhì)量流量為841.9 g/s，氧氣質(zhì)量流量為84.2 g/s，汽油質(zhì)量流量為89.3 g/s，當(dāng)量比為1.15，此時(shí)，富氧空氣中氧氣質(zhì)量含量為30.2%的條件下，點(diǎn)火后燃燒室所獲得高頻壓力時(shí)程曲線如圖10所示。壓力波動(dòng)甚小，預(yù)爆轟管內(nèi)產(chǎn)生的初始爆轟波進(jìn)入燃燒室后并沒有形成連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟波，反應(yīng)物以爆燃形式燃燒，此時(shí)爆轟波起爆失敗。在實(shí)驗(yàn)過程中，一方面是由于燃料和氧化劑在受限空間內(nèi)摻混不均勻，另一方面在氧氣質(zhì)量含量為30.2%時(shí)，混合物的反應(yīng)活性偏低，導(dǎo)致爆轟波難以形成。在其他條件不變的情況下，將富氧空氣中氧氣質(zhì)量含量提高至35%時(shí)，此時(shí)點(diǎn)火后的，爆轟波仍無法成功起爆，燃燒室內(nèi)的高頻壓力曲線的振蕩規(guī)律與圖10中的壓力信號(hào)基本一致。

(a) High frequency pressure curves during deflagration (b) Initial conditions

當(dāng)富氧空氣中氧氣質(zhì)量含量進(jìn)一步增加到37%；此時(shí)，燃燒室內(nèi)成功實(shí)現(xiàn)了汽油/富氧空氣兩相旋轉(zhuǎn)爆轟波的起爆與自持傳播。與數(shù)值計(jì)算相比，實(shí)驗(yàn)過程中氣液兩相旋轉(zhuǎn)爆轟波起爆條件更加苛刻，主要是由于在實(shí)驗(yàn)實(shí)際過程中涉及到氣液兩相摻混的均勻性、燃燒時(shí)的熱損失以及不穩(wěn)定燃燒等，這些因素都會(huì)起爆增加難度。因此，在實(shí)驗(yàn)過程需要更高的氧含量來增加混合反應(yīng)物的活性，才能實(shí)現(xiàn)成功起爆。高頻壓力時(shí)程曲線如圖11所示，其中圖11(a)為高頻壓力原始信號(hào)。為了便于分析，采取高通濾波對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行處理，處理后壓力曲線如圖11(b)所示?？煽闯?，不同位置處的壓力信號(hào)和不同時(shí)刻的壓力信號(hào)并不一致，表明爆轟波在傳播過程中是不穩(wěn)定的。為了進(jìn)一步分析爆轟波的起爆過程，高頻壓力信號(hào)的局部放大圖如圖11(c)和圖11(d)所示，PDE內(nèi)產(chǎn)生的初始爆轟波和爆轟產(chǎn)物在387.7 ms時(shí)刻進(jìn)入燃燒室內(nèi)，引燃預(yù)混燃料(富氧空氣與霧化好的燃油液滴混合物)。由于燃燒室環(huán)形腔的空間遠(yuǎn)大于PDE出口寬度，初始爆轟波進(jìn)入燃燒室后，立即產(chǎn)生兩個(gè)反向的爆轟波，壓力衰減十分嚴(yán)重。在逆時(shí)針方向依次經(jīng)過0°、60°和120°處的高頻壓力傳感器，根據(jù)PCB1和PCB3所捕捉的第一個(gè)壓力峰值時(shí)間間隔0.18 ms，可求得初始爆轟波進(jìn)入燃燒室后在兩傳感器之間的逆時(shí)針平均傳播速度為890 m/s；同理求得順時(shí)針方向傳播的平均速度為730 m/s。于是兩相反方向的爆轟波在180°和240°之間發(fā)生碰撞，產(chǎn)生局部熱點(diǎn)。隨后并沒有立即形成連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟波，而是以爆燃的形式燃燒。在環(huán)形燃燒室曲率、摩擦和噴注燃料引起的湍流等作用下，火焰面與未燃反應(yīng)物之間的接觸面積和擴(kuò)散速率迅速增加，提高了化學(xué)反應(yīng)速率和能量釋放速率，從而加速火焰，同時(shí)產(chǎn)生壓縮波。壓縮波相互追趕疊加，形成強(qiáng)烈的沖擊波，沖擊波壓縮新鮮的反應(yīng)物，進(jìn)一步加強(qiáng)燃燒[16]。經(jīng)過約9.64 ms的過渡階段，燃燒室內(nèi)形成了自持傳播的爆轟波。

(a) Primary signal of high frequency pressure in detonation (b) High pass filtered pressure signals

圖11(e)為圖11(b)的局部放大圖，從圖11中可看出兩PCB2和兩PCB4相鄰壓力峰值之間均存在兩個(gè)PCB1和PCB3的壓力峰值，并且PCB1和PCB3位置處的壓力波形幾乎重合，該壓力波形是典型雙波對(duì)撞模態(tài)所呈現(xiàn)的振蕩規(guī)律，且爆轟波的對(duì)撞點(diǎn)恰好位于PCB2和PCB4處(即60°和240°)。結(jié)合圖11(e)中的壓力波形，穩(wěn)定雙波對(duì)撞的傳播示意圖如圖12所示。805 ms時(shí)刻，相向傳播的爆轟波正好傳播至PCB2處，發(fā)生碰撞，此時(shí)PCB2壓力波形中出現(xiàn)P1；碰撞后，兩個(gè)爆轟波分別透射到彼此的波后爆轟產(chǎn)物中并形成兩個(gè)相反方向的透射激波，隨后兩個(gè)透射激波同時(shí)經(jīng)過PCB1和PCB3，波形中分別出現(xiàn)P2和P3；此后，兩個(gè)透射激波在新鮮燃料的支持下逐漸形成爆轟波，傳播120°后，在PCB4位置處發(fā)生碰撞，同時(shí)在PCB4壓力波形中形成壓力峰值P4，重復(fù)上述模式，最終再次在PCB2位置處發(fā)生碰撞。兩個(gè)爆轟波一直保持該方式循環(huán)傳播，且圖11(e)中相鄰的壓力峰值時(shí)間間隔△ti恰好為爆轟波傳播一周所需時(shí)間。爆轟波以雙波對(duì)撞模態(tài)傳播過程中，可能由于每個(gè)周期內(nèi)對(duì)撞后，引起燃燒室內(nèi)局部壓力高低差異顯著，從而影響了燃料和氧化劑的噴注過程，進(jìn)而影響了預(yù)混燃料層建立位置，導(dǎo)致爆轟波的對(duì)撞點(diǎn)也會(huì)發(fā)生變化；燃料與氧化劑的摻混效果不均，實(shí)驗(yàn)裝置的加工和安裝偏差導(dǎo)致的外部不穩(wěn)定也可能是引起雙波對(duì)撞的因素。

5 結(jié)論

(1)獲得了穩(wěn)定的氣液兩相旋轉(zhuǎn)爆轟的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，包括爆轟波、斜激波、爆轟產(chǎn)物、爆轟產(chǎn)物內(nèi)的間斷面、新鮮預(yù)混燃料層、以及燃料層與爆轟產(chǎn)物之間的接觸面；斜激波是引起燃燒室出口參數(shù)出現(xiàn)波動(dòng)的主要因素。

(2)數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)氧化劑中氧含量偏低，混合物反應(yīng)活性偏低，難以維持旋轉(zhuǎn)爆轟波自持傳播，當(dāng)氧氣質(zhì)量含量大于等于30%，燃燒室內(nèi)均能成功起爆；但通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，兩相旋轉(zhuǎn)爆轟波起爆條件更加苛刻，富氧空氣中氧氣質(zhì)量含量需增加至37%時(shí)，燃燒室內(nèi)才能形成自持傳播的爆轟波。

(3)隨著氧含量增大，燃燒更加劇烈，爆轟強(qiáng)度增大，爆轟壓力、溫度以及爆轟波速度均增加。當(dāng)氧氣質(zhì)量含量增加到40%時(shí)，爆轟波以雙波對(duì)撞模態(tài)傳播，此時(shí)平均爆轟壓力和傳播速度衰減十分顯著，在傳播過程中，爆轟波高度、壓力、溫度等參數(shù)均不斷發(fā)生變化。