基于預(yù)爆轟點(diǎn)火方式的連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)起爆過(guò)程分析

褚 馳,翁春生,武郁文,孟豪龍,徐 高

(南京理工大學(xué) 瞬態(tài)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210094)

目前,傳統(tǒng)的航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)所采用的燃燒放熱過(guò)程都是等壓燃燒。但此類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到了比較成熟的階段,基于等壓燃燒的傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)的性能難以進(jìn)一步提高。爆轟波是一道超聲速傳播的激波,掃過(guò)氣相反應(yīng)物后其熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)急劇上升,同時(shí)爆轟燃燒也是一種化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程,相比爆燃燃燒具有更高的熱循環(huán)效率和熱量釋放速率[1-2]。連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)(continuous rotating detonation engine,CRDE)只需一次點(diǎn)火,便可產(chǎn)生穩(wěn)定自持傳播的旋轉(zhuǎn)爆轟波,且擁有能量轉(zhuǎn)換效率高、可適應(yīng)多種來(lái)流工況等優(yōu)點(diǎn)[3-6],已成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。

CRDE研究始于20世紀(jì)50年代,蘇聯(lián)Voitsekhovskii等[7-8]以乙炔/氧氣為反應(yīng)物,并在燃燒室內(nèi)設(shè)計(jì)特殊結(jié)構(gòu)以防止爆轟波向多個(gè)方向發(fā)展,實(shí)現(xiàn)了圓盤(pán)形燃燒室內(nèi)的短時(shí)間連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟。1966年,Nicholls等[9]采用直接起爆方式,以電火花為點(diǎn)火源,并在點(diǎn)火源一側(cè)安裝了防止產(chǎn)生兩道對(duì)撞爆轟波的隔板裝置,成功起爆了CRDE。這樣的起爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高了CRDE點(diǎn)火起爆的成功率,但同時(shí)增加了多次重復(fù)試驗(yàn)的拆裝難度。為了解決這個(gè)問(wèn)題,美國(guó)德州大學(xué)CRDE研究小組于2006年提出了一種旋流起爆方式[10],即在燃燒室周向位置布置多處旋流噴注出口,并在旋流噴注出口附近沿噴注方向設(shè)置點(diǎn)火點(diǎn),通過(guò)精確的時(shí)序控制實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)爆轟波初始傳播方向的操縱。但這種沿周向的噴注方式導(dǎo)致推進(jìn)劑沿燃燒室軸向的傳播速度較小,使得預(yù)混層的形成效果較差,故旋轉(zhuǎn)爆轟波難以在燃燒室內(nèi)穩(wěn)定自持傳播。20世紀(jì)90年代,Bykovskii等[11-12]針對(duì)CRDE開(kāi)展了大量的試驗(yàn)研究,這些試驗(yàn)包括嘗試使用火花塞、電雷管、爆炸絲和預(yù)爆轟管等多種起爆方式,成功實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)爆轟波的穩(wěn)定自持傳播。徐燦等[13]采用沿發(fā)動(dòng)機(jī)徑向垂直安裝的火花塞點(diǎn)火,成功起爆了氫氣/空氣組合的CRDE,對(duì)其點(diǎn)火、穩(wěn)定傳播以及熄火過(guò)程進(jìn)行了分析。

預(yù)爆轟管點(diǎn)火是目前工作最可靠、應(yīng)用最為廣泛的點(diǎn)火方式。2011年,Thomas等[14]采用間接起爆方式,使用預(yù)爆轟管中產(chǎn)生的初始爆轟波實(shí)現(xiàn)CRDE的點(diǎn)火起爆。此外,他們還對(duì)起爆裝置進(jìn)行了改進(jìn),即通過(guò)在預(yù)爆轟管中增加促進(jìn)爆燃轉(zhuǎn)爆轟(deflagration to detonation transition,DDT)進(jìn)程的裝置和預(yù)爆轟管末端增加閥裝置來(lái)提高起爆CRDE的成功率以及實(shí)現(xiàn)CRDE的多次重復(fù)起爆。2013年,Stevens等[15]采用紋影手段對(duì)爆轟波的衍射以及起爆過(guò)程開(kāi)展了試驗(yàn)研究,并對(duì)爆轟波再起爆過(guò)程的影響因素進(jìn)行了研究。2015年,Frolov等[16]開(kāi)展了一系列針對(duì)燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)從預(yù)爆轟管中產(chǎn)生初始爆轟波到燃燒室中建立穩(wěn)定傳播的旋轉(zhuǎn)爆轟波之間存在時(shí)間間隔。2016年,George等[17]成功起爆了氫氣/空氣組合的CRDE,并對(duì)點(diǎn)火時(shí)刻到形成穩(wěn)定傳播的旋轉(zhuǎn)爆轟波時(shí)刻之間的時(shí)間間隔影響因素進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:提高總質(zhì)量流量以及采取在燃燒室出口增設(shè)收斂噴管的手段可顯著縮短旋轉(zhuǎn)爆轟波形成時(shí)間。

Ma等[18]基于氫氣/空氣組合的預(yù)爆轟式CRDE對(duì)點(diǎn)火起爆—熄火—再起爆過(guò)程開(kāi)展了研究,發(fā)現(xiàn)再起爆過(guò)程與推進(jìn)劑噴注壓力相關(guān),增大噴注壓力可以有效提高再起爆成功率。劉世杰等[19-20]在2套CRDE模型基礎(chǔ)上,采用環(huán)縫-噴孔對(duì)撞式噴注模型以熱射流切向噴注的起爆方式開(kāi)展了氫氣/空氣組合的CRDE試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)熱射流進(jìn)入燃燒室后并沒(méi)有直接形成旋轉(zhuǎn)爆轟波,從點(diǎn)火到形成自持傳播的旋轉(zhuǎn)爆轟波之間存在時(shí)間間隔。楊成龍等[21]采用不同點(diǎn)火能量的火花塞作為氫氣/空氣組合的CRDE點(diǎn)火起爆裝置開(kāi)展了旋轉(zhuǎn)爆轟波建立過(guò)程試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)增大點(diǎn)火能量能夠大幅縮短旋轉(zhuǎn)爆轟波建立時(shí)間。

此外,由于實(shí)驗(yàn)觀測(cè)手段存在一定的局限性,通過(guò)數(shù)值模擬可以展示旋轉(zhuǎn)爆轟內(nèi)部的三維流場(chǎng)結(jié)構(gòu),從而揭示旋轉(zhuǎn)爆轟的起爆及傳播機(jī)理。Braun等[22]驗(yàn)證了基于OpenFOAM的非穩(wěn)態(tài)雷諾時(shí)均N-S方程求解器ddtFoam模擬連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟流場(chǎng)的可行性,并分析了不同尾噴管對(duì)CRDE流場(chǎng)非定常特性的影響。Yao等[23]針對(duì)二維流體域中單個(gè)到多個(gè)點(diǎn)火源時(shí)點(diǎn)火起爆產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)爆轟波的過(guò)程開(kāi)展了數(shù)值模擬研究,結(jié)果中的多波傳播過(guò)程與試驗(yàn)研究的多波傳播模態(tài)有相似的結(jié)論。Yamada等[24]通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算了面積、點(diǎn)火能量對(duì)旋轉(zhuǎn)爆轟極限的影響,以及點(diǎn)火能量對(duì)比沖的影響。Wang等[25]采用一種改進(jìn)的CE/SE方法對(duì)不同噴注溫度和噴注面積下煤油/空氣的CRDE開(kāi)展了數(shù)值研究工作,揭示了煤油/空氣組合的CRDE在高噴注總溫條件下的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特性和爆轟參數(shù)。

David等[26]分別計(jì)算了氫氣、甲烷和天然氣燃料在空氣、氧氣中于不同壓力下的點(diǎn)火延遲時(shí)間,說(shuō)明了點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)燃燒室流場(chǎng)的影響。Xia等[27]基于OpenFOAM平臺(tái)進(jìn)行了連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)傳播模態(tài)二維數(shù)值研究,并分析了模態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制。Zheng等[28]基于FLUENT軟件對(duì)預(yù)爆轟式CRDE起爆過(guò)程開(kāi)展了三維數(shù)值模擬研究,對(duì)比了不同噴注方式對(duì)起爆過(guò)程內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分布的影響。

基于當(dāng)前的研究背景,盡管已提出多種啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)爆轟的方法,并針對(duì)不同起爆方式對(duì)旋轉(zhuǎn)爆轟特性的影響開(kāi)展了研究,但對(duì)于預(yù)爆轟式CRDE中初始爆轟波的衰減規(guī)律、旋轉(zhuǎn)爆轟的起爆機(jī)理和形成條件尚不清楚。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段,對(duì)基于預(yù)爆轟點(diǎn)火方式的CRDE起爆過(guò)程進(jìn)行研究。首先對(duì)初始爆轟波由預(yù)爆轟管進(jìn)入環(huán)形燃燒室后的傳播過(guò)程開(kāi)展試驗(yàn)研究,總結(jié)初始爆轟波的衰減規(guī)律;在此基礎(chǔ)上,以氫氣/空氣為工質(zhì)開(kāi)展CRDE起爆特性試驗(yàn),對(duì)比不同工況下CRDE起爆過(guò)程的差異,分析旋轉(zhuǎn)爆轟波的起始條件和形成機(jī)理;最后,對(duì)初始爆轟波由預(yù)爆轟管進(jìn)入環(huán)形燃燒室的過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究,分析燃燒室三維流場(chǎng)結(jié)構(gòu)變化,細(xì)致刻畫(huà)燃燒室內(nèi)壓力波系發(fā)展歷程,對(duì)初始爆轟波傳播和衰減過(guò)程進(jìn)行分析。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1和圖2分別為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖和實(shí)物圖。CRDE環(huán)形燃燒室的內(nèi)徑為78 mm,外徑為88 mm,長(zhǎng)為130 mm。推進(jìn)劑噴注為非預(yù)混噴注結(jié)構(gòu),環(huán)形燃燒室內(nèi)壁面沿周向均勻布置了60個(gè)直徑為0.8 mm的圓形氫氣噴孔,總噴注面積為30.18 mm2?？諝夂蜌錃獾撵o態(tài)壓力傳感器分別位于燃燒室頭部集氣腔和氫氣噴孔入口腔體。預(yù)爆轟管式CRDE采用氫氧預(yù)爆轟管作為起爆裝置。氫氣和氧氣通過(guò)對(duì)撞式噴注進(jìn)入預(yù)爆轟管右側(cè),待氫氣和氧氣在預(yù)爆轟管中充分預(yù)混后,采用電火花點(diǎn)火的方式點(diǎn)燃預(yù)混氣,即在預(yù)爆轟管中產(chǎn)生初始爆轟波。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖

試驗(yàn)共設(shè)置了4個(gè)高頻壓力傳感器,分別命名為PCB1、PCB2、PCB3和PCB4。PCB1置于預(yù)爆轟管上,以監(jiān)測(cè)預(yù)爆轟管內(nèi)強(qiáng)熱射流的壓力;PCB3、PCB4與PCB2之間的夾角分別為60°和120°,且位于同一圓周,圓周距離燃燒室頭部15 mm,傳感器具體安裝位置如圖3所示。

圖3 傳感器位置示意圖

本文試驗(yàn)所采用的時(shí)序[29]如圖4所示。其中圖4(a)為預(yù)爆轟管點(diǎn)火試驗(yàn)時(shí)序圖。在供給系統(tǒng)觸發(fā)之前,先打開(kāi)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。t=0 ms至t=200 ms時(shí)向預(yù)爆轟管內(nèi)注入氫氣和氧氣,并于t=250 ms時(shí)刻觸發(fā)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)至t=300 ms,此時(shí)預(yù)爆轟管內(nèi)產(chǎn)生初始爆轟波。一段時(shí)間后(t=2 000 ms),打開(kāi)CRDE空氣供給管路,吹除燃燒室內(nèi)剩余的燃料和燃燒產(chǎn)物;t=5 000 ms時(shí),關(guān)閉CRDE空氣供給管路電磁閥,結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

圖4(b)為CRDE點(diǎn)火起爆試驗(yàn)時(shí)序圖。同樣先開(kāi)啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。t=0 ms時(shí)開(kāi)始向預(yù)爆轟管內(nèi)注入氫氣和氧氣,同時(shí)開(kāi)始向CRDE噴注空氣;t=100 ms時(shí)開(kāi)啟CRDE氫氣噴注,t=200 ms時(shí)停止預(yù)爆轟管氫氣和氧氣的噴注。此后,點(diǎn)火開(kāi)關(guān)同樣在t=250 ms時(shí)觸發(fā)并于t=300 ms時(shí)關(guān)閉。t=500 ms時(shí),關(guān)閉CRDE氫氣噴注管路電磁閥,此時(shí)CRDE仍然持續(xù)噴注空氣;一段時(shí)間后(t=5 000 ms),關(guān)閉CRDE空氣噴注,發(fā)動(dòng)機(jī)完全熄火,試驗(yàn)結(jié)束。

圖4 時(shí)序控制圖

2 計(jì)算模型

本文數(shù)值模擬工作采用開(kāi)源CFD軟件OpenFOAM進(jìn)行計(jì)算[30]。本文所采用的ddtFoam求解器[31],其湍流模型采用RANS剪切應(yīng)力輸運(yùn)k-OMEGA模型,氫氣和氧氣的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理采用基于Conaire等[32]的氫氣/空氣9組分19步詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理求解。時(shí)間項(xiàng)采用歐拉離散,梯度項(xiàng)采用中心差分的高斯積分計(jì)算,對(duì)流項(xiàng)采用高斯理論一階迎風(fēng)格式離散,空間離散采用二階精度HLLC離散格式,能夠準(zhǔn)確地捕捉激波、接觸間斷和稀疏波[33]。

如圖5所示,采用同軸圓環(huán)空腔作為CRDE的燃燒室結(jié)構(gòu),燃燒室內(nèi)徑Din=78 mm,外徑Dout=88 mm,軸向長(zhǎng)度La=130 mm,與實(shí)驗(yàn)裝置保持一致;預(yù)爆轟管長(zhǎng)度L=200 mm,內(nèi)徑為5 mm。為滿(mǎn)足ddtFoam求解器對(duì)網(wǎng)格偏斜度(skewness)的適應(yīng)性,將預(yù)爆轟管切向布置方式改為垂直連接環(huán)形燃燒室。由文獻(xiàn)[14]可知,改變預(yù)爆轟管的布置方式對(duì)于初始爆轟波的起爆特性無(wú)明顯影響,故預(yù)爆轟管垂直連接環(huán)形燃燒室的方式是合理的。初始時(shí)刻,在預(yù)爆轟管填充當(dāng)量比為1,初始溫度為300 K,初始?jí)毫?.1 MPa的H2/O2預(yù)混氣體。同時(shí),在預(yù)爆轟管固壁端設(shè)置溫度為2 448 K,壓力為1 MPa的點(diǎn)火區(qū)域。此外,環(huán)形燃燒室內(nèi)填充空氣,溫度為293 K,壓力為0.1 MPa。

圖5 預(yù)爆轟式CRDE模型圖

3 CRDE點(diǎn)火起爆過(guò)程試驗(yàn)

預(yù)爆轟管內(nèi)產(chǎn)生的初始爆轟波對(duì)于能否成功起爆旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)并獲得穩(wěn)定自持傳播的旋轉(zhuǎn)爆轟波起關(guān)鍵作用。因此,研究初始爆轟波由預(yù)爆轟管進(jìn)入環(huán)形燃燒室的傳播過(guò)程具有重要意義。本節(jié)首先在CRDE試驗(yàn)平臺(tái)上開(kāi)展預(yù)爆轟管點(diǎn)火試驗(yàn)研究,通過(guò)預(yù)爆轟管點(diǎn)火起爆形成初始爆轟波,研究初始爆轟波進(jìn)入CRDE環(huán)形燃燒室的傳播及衰減過(guò)程,為CRDE點(diǎn)火起爆試驗(yàn)打下基礎(chǔ)。

3.1 初始爆轟波進(jìn)入環(huán)形燃燒室過(guò)程試驗(yàn)

圖6為試驗(yàn)中得到的PCB2、PCB3、PCB4處初始爆轟波進(jìn)入環(huán)形燃燒室的壓力曲線。

圖6 初始爆轟波進(jìn)入環(huán)形燃燒室試驗(yàn)高頻壓力曲線

在t=0.029 ms時(shí),PCB2捕捉到一個(gè)峰值壓力為0.54 MPa的壓力信號(hào),該壓力是預(yù)爆轟管內(nèi)產(chǎn)生的初始爆轟波進(jìn)入環(huán)形燃燒室,在周向沿逆時(shí)針?lè)较騻鞑?波陣面到達(dá)PCB2處所引起的。t=0.077 ms時(shí),波陣面?zhèn)髦罰CB3位置處,高頻壓力傳感器捕捉到該時(shí)刻壓力峰值為0.14 MPa。t=0.121 ms時(shí),波陣面到達(dá)PCB4監(jiān)測(cè)點(diǎn),此時(shí)的壓力峰值為0.09 MPa。此外,3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處,在觀察到首道激波到達(dá)引起的壓力峰值明顯上升之后,壓力曲線均漸漸趨于平緩。由此可知,初始爆轟波進(jìn)入環(huán)形燃燒室后,在逆時(shí)針?lè)较騻鞑サ倪^(guò)程中強(qiáng)度逐漸減弱,由PCB2至PCB3階段的衰減率為74.1%,由PCB2至PCB4階段的衰減率為83.3%。對(duì)應(yīng)的物理過(guò)程是:初始爆轟波在進(jìn)入環(huán)形燃燒室后并沒(méi)有維持爆轟波的形態(tài)繼續(xù)傳播,而是迅速并持續(xù)衰減。文獻(xiàn)[15]對(duì)初始爆轟波由預(yù)爆轟管向相對(duì)無(wú)約束空間的傳播過(guò)程進(jìn)行了試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)初始爆轟波在到達(dá)預(yù)爆轟管出口處迅速膨脹解耦,這與本節(jié)試驗(yàn)結(jié)果相符。此外,在預(yù)爆轟管點(diǎn)火試驗(yàn)中,由于燃燒室內(nèi)沒(méi)有噴注氧化劑和燃料,初始爆轟波在衰減為燃燒波后很快湮滅。

3.2 起爆過(guò)程分析

基于3.1節(jié)初始爆轟波進(jìn)入環(huán)形燃燒室的傳播過(guò)程研究分析,開(kāi)展了CRDE的點(diǎn)火起爆實(shí)驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[19,34]指出,發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量流量條件會(huì)對(duì)旋轉(zhuǎn)爆轟波的傳播穩(wěn)定性產(chǎn)生影響,當(dāng)質(zhì)量流量減小時(shí),旋轉(zhuǎn)爆轟波會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定特性。因此,以氫氣/空氣為反應(yīng)物,選取總質(zhì)量流量在380.1～389.47 g/s范圍,當(dāng)量比分別為0.65,0.87和0.95的工況條件進(jìn)行了3組試驗(yàn);降低總質(zhì)量流量至300 g/s左右,在當(dāng)量比為0.82和0.95的工況下進(jìn)行了2組試驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上研究旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)在小流量工況下的點(diǎn)火起爆特性。具體試驗(yàn)工況見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)工況

在氫氣質(zhì)量流量為7 g/s,空氣質(zhì)量流量為375 g/s,當(dāng)量比為0.65時(shí),成功起爆連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī),得到PCB2(0°)處動(dòng)壓壓力曲線、氫氣集氣腔靜態(tài)壓力曲線及空氣集氣腔靜態(tài)壓力曲線,如圖7所示。

圖7 工況1 CRDE工作壓力曲線

由圖7可知,770 ms時(shí),PCB2采集到了第1個(gè)壓力峰值,即初始爆轟波由預(yù)爆轟管進(jìn)入環(huán)形燃燒室后經(jīng)過(guò)PCB2監(jiān)測(cè)位置,引起壓力上升。1 070 ms時(shí),高頻壓力信號(hào)開(kāi)始衰減,發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸熄火。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中,高頻壓力信號(hào)持續(xù)存在并穩(wěn)定波動(dòng),說(shuō)明本次試驗(yàn)成功起爆,并實(shí)現(xiàn)了連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟波的自持傳播。

使用OMEGA靜態(tài)壓力傳感器在相同工況下對(duì)空氣和氫氣集氣腔的靜態(tài)壓力分別進(jìn)行監(jiān)測(cè),得到圖7中的靜態(tài)壓力曲線。試驗(yàn)過(guò)程中,主管路和噴前集氣腔壓力保持穩(wěn)定。在t=450 ms時(shí),同時(shí)噴注氫氣和空氣,集氣腔壓力與環(huán)形燃燒室內(nèi)壓力隨之升高,由于此時(shí)還未點(diǎn)火,CRDE處于冷流狀態(tài),氣流經(jīng)過(guò)環(huán)形燃燒室后由尾部排出。t=770 ms時(shí)開(kāi)始點(diǎn)火,初始爆轟波在預(yù)爆轟管中產(chǎn)生并進(jìn)入環(huán)形燃燒室,使得環(huán)形燃燒室內(nèi)壓力升高。受此影響,集氣腔內(nèi)的氣體無(wú)法持續(xù)向環(huán)形燃燒室內(nèi)噴注,引起集氣腔內(nèi)壓力升高。在t=1 070 ms時(shí),切斷氫氣供給信號(hào),保留空氣供給,燃燒室內(nèi)混氣活性大幅降低,發(fā)動(dòng)機(jī)迅速熄火,集氣腔內(nèi)的靜態(tài)壓力下降。

圖8為連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)在工況1(氫氣質(zhì)量流量為7 g/s,空氣質(zhì)量流量為375 g/s,當(dāng)量比為0.65)時(shí)PCB2所采集到的起爆過(guò)程高頻壓力曲線。

圖8 工況1 PCB2起爆過(guò)程壓力曲線

約770 ms時(shí),PCB2采集到第1個(gè)壓力峰值,該峰值壓力信號(hào)即為預(yù)爆轟管所產(chǎn)生的初始爆轟波進(jìn)入CRDE后引起的壓力突躍。大致在770 ms到793 ms之間,壓力波系在燃燒室內(nèi)發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間的轉(zhuǎn)變,但始終未能在壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)引起大幅度的信號(hào)波動(dòng)。這段壓力曲線表現(xiàn)出的現(xiàn)象是:初始爆轟波由預(yù)爆轟管進(jìn)入燃燒室后,由于邊界條件發(fā)生改變,爆轟波向無(wú)受限方向發(fā)生衍射,導(dǎo)致爆轟波解耦;又因?yàn)槌跏急Z波及預(yù)爆轟管內(nèi)燃燒產(chǎn)物的進(jìn)入,燃燒室進(jìn)氣端環(huán)縫和噴孔處壓力升高,阻塞集氣腔內(nèi)氣體的噴入,導(dǎo)致燃燒室頭部無(wú)法形成預(yù)混層,波陣面化學(xué)反應(yīng)速率降低,爆轟波迅速衰減為激波。t=793 ms時(shí),高頻壓力曲線捕捉到第2次壓力峰值,爆轟波重新建立,其原因是:①隨著波系的衰減,反應(yīng)產(chǎn)物由燃燒室尾部噴出,集氣腔內(nèi)混氣壓縮,燃燒室進(jìn)氣端環(huán)縫和噴孔處內(nèi)外壓力達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,燃燒室內(nèi)開(kāi)始噴入新鮮燃料與氧化劑;②隨著激波的壓縮及燃燒室曲率和燃燒室表面粗糙度等因素的影響,連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的壓縮波系匯合增加,不斷點(diǎn)燃燃燒室內(nèi)的燃料,逐漸形成前導(dǎo)激波,誘導(dǎo)引爆可燃混合氣體。最終爆轟波重新建立[35]。

如圖9所示,對(duì)比PCB2、PCB3 2處爆轟波起始階段壓力曲線,可以通過(guò)觀察壓力信號(hào)上升沿出現(xiàn)的先后順序判斷旋轉(zhuǎn)爆轟波的傳播方向。

圖9 工況1局部壓力曲線

由圖9可知,初始爆轟波在進(jìn)入環(huán)形燃燒室后,壓力峰值迅速衰減,在一段時(shí)間內(nèi)壓力曲線僅在小范圍內(nèi)波動(dòng);在重新起爆階段,壓力曲線開(kāi)始出現(xiàn)峰值壓力約為0.2 MPa的上升沿,并于某一時(shí)刻突然出現(xiàn)峰值壓力約為0.5 MPa的壓力尖峰,并維持一定的頻率穩(wěn)定出現(xiàn)。由上文分析可知,燃燒室內(nèi)化學(xué)反應(yīng)速率的下降導(dǎo)致燃料堆積,但在燃燒室表面粗糙度和壁面曲率的作用下,燃燒室內(nèi)的湍流度依然很高,局部的擾動(dòng)會(huì)加快反應(yīng)速率,形成熱點(diǎn)。隨著幾個(gè)局部熱點(diǎn)的形成,燃燒室內(nèi)溫度升高,而反應(yīng)物也在這個(gè)過(guò)程中逐漸累積,某一時(shí)刻,便發(fā)生了突然的爆轟。在已有實(shí)驗(yàn)[18,34]中也觀察到了類(lèi)似的過(guò)程。值得一提的是,在旋轉(zhuǎn)爆轟波重新建立的過(guò)程中,大多數(shù)時(shí)間內(nèi)發(fā)生的都是爆燃燃燒,此期間反應(yīng)物燃燒速率具有較強(qiáng)的波動(dòng)性,流場(chǎng)結(jié)構(gòu)非常紊亂復(fù)雜。因此,旋轉(zhuǎn)爆轟波重新建立后,其傳播方向與初始爆轟波進(jìn)入環(huán)形燃燒室的方向不存在相關(guān)性。此外,參照文獻(xiàn)[13]對(duì)工況1CRDE自持傳播階段的壓力信號(hào)進(jìn)行處理,可得旋轉(zhuǎn)爆轟波的平均傳播速度為1 393.4m/s,與CEA計(jì)算所得理論CJ波速1 672.9m/s相比,本試驗(yàn)獲得的旋轉(zhuǎn)爆轟波平均傳播速度為理論值的83.3%。試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生誤差的原因包括:①試驗(yàn)中氫氣與空氣采用分開(kāi)噴注方式,故燃料與氧化劑并未充分預(yù)混;②試驗(yàn)中環(huán)形燃燒室表面粗糙度產(chǎn)生影響。以上因素使得旋轉(zhuǎn)爆轟波產(chǎn)生一定速度虧損。

在總質(zhì)量流量為389.47 g/s,當(dāng)量比為0.87以及總質(zhì)量流量為380.1 g/s,當(dāng)量比為0.95的工況下,成功起爆連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī),PCB2處得到的起爆階段壓力曲線如圖10所示。

圖10 工況2、工況3 PCB2起爆過(guò)程壓力曲線

在不同當(dāng)量比的工況下,旋轉(zhuǎn)爆轟波的建立都要經(jīng)歷一個(gè)復(fù)雜的轉(zhuǎn)變過(guò)程,但其表現(xiàn)出的壓力波形不同,轉(zhuǎn)變過(guò)程維持的時(shí)間也長(zhǎng)短不一。在當(dāng)量比為0.87和當(dāng)量比為0.95的工況下,從初始爆轟波進(jìn)入環(huán)形燃燒室到旋轉(zhuǎn)爆轟波重新建立所經(jīng)歷的時(shí)間分別為1.71 ms和1.96 ms,與當(dāng)量比為0.65的工況下重新建立旋轉(zhuǎn)爆轟波所需時(shí)間23.13 ms相比,當(dāng)量比的提高有助于縮短爆轟波重新建立所需時(shí)間。這是因?yàn)?在當(dāng)量比較低時(shí),反應(yīng)速率較慢,導(dǎo)致反應(yīng)物的燃燒和爆轟特性變差;隨著當(dāng)量比的增加,反應(yīng)物的可爆性增強(qiáng),促進(jìn)了爆轟波的形成。

在總質(zhì)量流量為287.65 g/s,當(dāng)量比為0.95(工況4)和總質(zhì)量流量為301.95 g/s,當(dāng)量比為0.82(工況5)時(shí)進(jìn)行了2組試驗(yàn),PCB2處的高頻壓力曲線如圖11所示。

圖11 工況4、工況5 PCB2起爆過(guò)程壓力曲線

由圖11可見(jiàn),在降低總質(zhì)量流量后,CRDE仍成功起爆,雖然沒(méi)有出現(xiàn)壓力曲線的間斷,但峰值壓力起伏很大,甚至在短暫時(shí)期內(nèi)低于起爆壓力,同時(shí)也存在突然的強(qiáng)爆轟波引起的高峰值壓力。這說(shuō)明在總質(zhì)量流量相對(duì)較低時(shí),起爆過(guò)程中燃燒室內(nèi)的反應(yīng)速率有較大波動(dòng)。文獻(xiàn)[34]也對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)爆轟波不穩(wěn)定傳播過(guò)程進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:當(dāng)燃燒速率降低時(shí),反應(yīng)物消耗速率減慢,燃料仍以相對(duì)穩(wěn)定的速率進(jìn)入燃燒室,導(dǎo)致燃料局部堆積。此時(shí)燃燒室內(nèi)的湍流度依然很高,一些小的擾動(dòng)會(huì)加速局部的燃燒速率,燃燒室內(nèi)堆積的燃料會(huì)劇烈反應(yīng),從而產(chǎn)生一個(gè)峰值壓力很高的爆轟波,這與本文研究發(fā)現(xiàn)的規(guī)律基本符合。

4 初始爆轟波進(jìn)入環(huán)形燃燒室過(guò)程數(shù)值模擬

3.1節(jié)采用實(shí)驗(yàn)手段對(duì)初始爆轟波進(jìn)入環(huán)形燃燒室的傳播及衰減過(guò)程進(jìn)行了研究,在分析壓力曲線的基礎(chǔ)上總結(jié)了初始爆轟波的衰減規(guī)律,但實(shí)驗(yàn)觀測(cè)手段存在一定的局限性。因此,本節(jié)通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)初始爆轟波由預(yù)爆轟管進(jìn)入環(huán)形燃燒室的傳播過(guò)程進(jìn)行分析,展示燃燒室內(nèi)部的三維流場(chǎng)結(jié)構(gòu),對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充。

初始時(shí)刻在預(yù)爆轟管的封閉端設(shè)置高溫高壓區(qū)域,點(diǎn)燃?xì)錃?氧氣預(yù)混氣形成快速火焰,并在發(fā)展過(guò)程中經(jīng)歷DDT過(guò)程轉(zhuǎn)捩成爆轟波,爆轟波由預(yù)爆轟管出口傳入環(huán)形燃燒室。

為形象地表征波陣面在進(jìn)入環(huán)形燃燒室階段的變化過(guò)程,對(duì)數(shù)值模擬得到的壓力梯度分布云圖進(jìn)行了處理,圖中,紅色曲線代表壓力梯度帶在某一時(shí)刻的位置。圖12中曲線分別對(duì)應(yīng)t=0.001 ms,0.002 ms,0.003 ms,0.004 ms時(shí)的波陣面位置。由圖中可以看出,在初始爆轟波進(jìn)入環(huán)形燃燒室的過(guò)程中,波陣面由狹小的圓管向燃燒室內(nèi)擴(kuò)張,壓力波發(fā)生衍射,波陣面面積不斷增加,但受到初始爆轟波傳播方向的影響,軸向擴(kuò)張速度略高于周向擴(kuò)張速度。

圖12 波陣面變化趨勢(shì)

圖13為不同時(shí)刻壓力梯度云圖。由圖13可知,初始爆轟波在進(jìn)入環(huán)形燃燒室后逐漸衰減,形成首道激波。該激波在燃燒室內(nèi)向無(wú)受限方向擴(kuò)張,隨后于燃燒室內(nèi)壁面發(fā)生反射,形成一道反射激波。這道反射激波與首道激波沿周向擴(kuò)張的部分重合,最終伴隨著首道激波持續(xù)向下游傳播,并在燃燒室內(nèi)外壁面上均形成一道不斷發(fā)展的環(huán)狀壓力梯度帶。

圖13 不同時(shí)刻壓力梯度云圖

圖14為0.05 ms,0.06 ms,0.074 ms,0.084 ms,0.116 ms,0.154 ms時(shí)的壓力梯度切面圖、壓力梯度云圖正視圖和溫度分布云圖。在t=0.06 ms時(shí),初始爆轟波由預(yù)爆轟管進(jìn)入環(huán)形燃燒室所產(chǎn)生的首道激波沿周向傳播約60°。同時(shí),由同時(shí)刻的壓力梯度云圖的正視圖可知,在首道激波靠近燃燒室固壁端的位置處對(duì)稱(chēng)地分布著2道激波。結(jié)合圖15可知,初始爆轟波進(jìn)入環(huán)形燃燒室后形成環(huán)狀波陣面,波陣面擴(kuò)張至燃燒室固壁端時(shí)發(fā)生反射,形成一道反射激波。

圖14 環(huán)形燃燒室內(nèi)初始爆轟波傳播過(guò)程的壓力梯度及溫度云圖

圖14(a)和圖14(b)為t=0.05 ms時(shí)和t=0.06 ms時(shí)的流場(chǎng)分布圖,可以看出反射激波在發(fā)展過(guò)程中與首道激波不斷交匯融合。t=0.084 ms時(shí),如圖14(d)所示,這道反射激波僅在靠近燃燒室固壁端處有殘留,因此同時(shí)刻的切面圖上可以觀察到一道緊隨著首道激波的一條壓力梯度帶。在t=0.116 ms時(shí)(圖14(e)),該反射激波在周向約90°位置處衰減至消失,故此時(shí)的壓力梯度切面云圖中僅存在一道持續(xù)沿周向發(fā)展的壓力梯度帶。最終,在t=0.154 ms時(shí),環(huán)形燃燒室內(nèi)的壓力波系在不斷交匯融合中變得非常復(fù)雜,壓力梯度帶絕大部分已不再連續(xù),僅在靠近燃燒室出口端可以觀察到由初始時(shí)刻起便持續(xù)發(fā)展的首道激波仍在持續(xù)擴(kuò)張。

圖15所示即為該反射波形成時(shí)的壓力梯度云圖,可以觀察到,t=0.03 ms時(shí),反射激波正向燃燒室出口端擴(kuò)張。

圖15 0.03 ms時(shí)壓力梯度云圖

5 結(jié)論

本文對(duì)預(yù)爆轟管式連續(xù)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火起爆過(guò)程進(jìn)行研究。首先進(jìn)行了初始爆轟波從預(yù)爆轟管進(jìn)入環(huán)形燃燒室后的傳播過(guò)程試驗(yàn)研究;在此基礎(chǔ)上,開(kāi)展了以氫氣/空氣為工質(zhì)的連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火起爆特性試驗(yàn);最后對(duì)初始爆轟波由預(yù)爆轟管進(jìn)入環(huán)形燃燒室的過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究,得到以下結(jié)論:

①通過(guò)試驗(yàn)對(duì)預(yù)爆轟管內(nèi)初始爆轟波進(jìn)入環(huán)形燃燒室傳播過(guò)程進(jìn)行研究。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),初始爆轟波在預(yù)爆轟管出口發(fā)生衍射,峰值壓力立即下降,由于沒(méi)有可燃混氣的支持,壓力波迅速衰減,3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的壓力峰值依次為0.54 MPa,0.14 MPa,0.09 MPa,衰減率為74.1%和83.3%;

②采用試驗(yàn)手段對(duì)預(yù)爆轟式CRDE點(diǎn)火起爆過(guò)程開(kāi)展研究,發(fā)現(xiàn)入口端面初始爆轟波進(jìn)入環(huán)形燃燒室后,并未直接形成旋轉(zhuǎn)爆轟波,而是存在“初始爆轟波解耦—DDT—觸發(fā)旋轉(zhuǎn)爆轟波”過(guò)程。在總質(zhì)量流量為380 g/s左右時(shí),隨著當(dāng)量比從0.65提高至0.95,DDT時(shí)間迅速?gòu)?0 ms以上降至2 ms以下。當(dāng)總質(zhì)量流量下降至280 g/s附近時(shí),出現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)爆轟波峰值壓力大幅波動(dòng)等旋轉(zhuǎn)爆轟波不穩(wěn)定傳播現(xiàn)象。

③通過(guò)數(shù)值模擬手段,結(jié)合壓力梯度云圖和溫度云圖,細(xì)致刻畫(huà)了燃燒室內(nèi)初始爆轟波的衰減過(guò)程。初始爆轟波進(jìn)入環(huán)形燃燒室后逐漸衰減,形成首道激波;該激波在燃燒室內(nèi)壁面反射后形成反射激波,并伴隨首道激波傳播;而后首道激波在傳播過(guò)程中在燃燒室進(jìn)口端面發(fā)生反射形成反射激波,該反射激波最終在周向約90°位置處衰減至消失。