王超,鄭榆山,蔡建華,肖保國,劉彧,樂嘉陵
1. 中國空氣動力研究與發(fā)展中心 空天技術(shù)研究所,綿陽 621000
2. 中國空氣動力研究與發(fā)展中心 高超聲速沖壓發(fā)動機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,綿陽 621000
旋轉(zhuǎn)爆震是爆震波在特定流道構(gòu)型和來流條件下的傳播形式,具有放熱速度快、一次點(diǎn)火即可連續(xù)工作、循環(huán)效率高等優(yōu)勢,可縮短燃燒室長度、減輕結(jié)構(gòu)重量,在航空航天推進(jìn)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
旋轉(zhuǎn)爆震可以應(yīng)用于火箭發(fā)動機(jī)、沖壓發(fā)動機(jī)和渦輪發(fā)動機(jī)。在旋轉(zhuǎn)爆震沖壓發(fā)動機(jī)研究方面,Bykovskii、Wolański、Lu等提出了旋轉(zhuǎn)爆震沖壓發(fā)動機(jī)的概念。MBDA法國公司提出了基于旋轉(zhuǎn)爆震沖壓發(fā)動機(jī)的英仙座反艦巡航導(dǎo)彈方案。
Braun等分析了旋轉(zhuǎn)爆震沖壓發(fā)動機(jī)燃料比沖隨飛行馬赫數(shù)等參數(shù)的變化規(guī)律,發(fā)動機(jī)最大飛行馬赫數(shù)可達(dá)5.0,在飛行馬赫數(shù)1.5條件下以氫氣為燃料時的燃料比沖為3800 s。為驗(yàn)證旋轉(zhuǎn)爆震在高靜溫、高速來流條件下的可行性,劉世杰、王超等建立了旋轉(zhuǎn)爆震直連試驗(yàn)系統(tǒng),采用空氣加熱器模擬燃燒室入口高溫高速來流,實(shí)現(xiàn)了氫氣旋轉(zhuǎn)爆震的穩(wěn)定工作,發(fā)現(xiàn)了單波、雙波、混合單波/雙波、對撞等多種傳播模態(tài)。劉世杰等還開展了飛行馬赫數(shù)4.5、高度18.5 km條件下的旋轉(zhuǎn)爆震沖壓發(fā)動機(jī)自由射流試驗(yàn),樣機(jī)總長僅660 mm,實(shí)現(xiàn)了氫氣旋轉(zhuǎn)爆震的穩(wěn)定工作,爆震波傳播頻率13.42 kHz,燃料比沖2510 s。
液態(tài)碳?xì)淙剂鲜前l(fā)動機(jī)的理想燃料,但與目前廣泛使用的氫氣相比,活性相對較低,燃燒前還有霧化、蒸發(fā)等過程,旋轉(zhuǎn)爆震波穩(wěn)定自持難度較大,傳播速度較低,速度虧損較大。劉世杰等開展了乙烯燃料旋轉(zhuǎn)爆震直連試驗(yàn),當(dāng)量比為0.79時,爆震波傳播速度為735 m/s,為C-J速度的43.7%。閻寶林等在加熱空氣中實(shí)現(xiàn)了3種液體燃料旋轉(zhuǎn)爆震的穩(wěn)定工作,爆震波傳播速度約為1065~1120 m/s。鄭權(quán)等在富氧空氣中實(shí)現(xiàn)了汽油和煤油等的旋轉(zhuǎn)爆震穩(wěn)定工作,爆震波傳播速度約1022.2~1171.8 m/s,且主要以對撞模態(tài)傳播。在乙烯和空氣旋轉(zhuǎn)爆震試驗(yàn)中,彭皓陽等發(fā)現(xiàn)恰當(dāng)化學(xué)當(dāng)量比下同向雙波模態(tài)的旋轉(zhuǎn)爆震波傳播速度可達(dá)1228.68 m/s,為C-J速度的67.4%。周勝兵等開展了氫氣、乙烯與乙炔混合燃料的旋轉(zhuǎn)爆震試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)爆震波傳播速度約為C-J速度的65%。鐘也磐等采用預(yù)裂解煤油和富氧空氣開展了旋轉(zhuǎn)爆震試驗(yàn),爆震波傳播速度為C-J速度的45%~60%,還觀察到了傳播過程中的解耦再起爆現(xiàn)象。胡洪波等開展了煤油富燃燃?xì)馀c空氣(氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.29~0.37)的旋轉(zhuǎn)爆震試驗(yàn),爆震波的傳播速度約為926.3~1034.0 m/s。Walters等開展了甲烷和空氣的旋轉(zhuǎn)爆震試驗(yàn),爆震波的傳播速度約為C-J速度的58%~68%。在Baratta等開展的甲烷和富氧空氣的旋轉(zhuǎn)爆震試驗(yàn)中,爆震波的傳播速度約為C-J速度的60%。Prakash等開展了甲烷和氧氣旋轉(zhuǎn)爆震流場數(shù)值計算,爆震波傳播速度為C-J速度的57%~62%。
彭皓陽等結(jié)合高速攝影發(fā)現(xiàn),帶凹腔燃燒室的回流區(qū)中存在周期性值班火焰,分析認(rèn)為值班火焰縮短了誘導(dǎo)時間,拓寬了乙烯和空氣的旋轉(zhuǎn)爆震貧燃極限。劉世杰和彭皓陽等提出了基于凹腔的旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室構(gòu)型,結(jié)合圓筒型燃燒室和Laval噴管實(shí)現(xiàn)了乙烯、甲烷在常溫空氣中的高強(qiáng)度、高傳播速度的旋轉(zhuǎn)爆震。王宇輝等也在圓筒型燃燒室中實(shí)現(xiàn)了乙烯旋轉(zhuǎn)爆震的高速傳播。
在沖壓工作條件下,高溫空氣會加劇旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室中的非爆震燃燒,可能影響爆震波的強(qiáng)度和自持傳播范圍等。針對相關(guān)問題,本文開展了模擬飛行馬赫數(shù)5.0條件下的旋轉(zhuǎn)爆震直連試驗(yàn),在同一燃燒室中實(shí)現(xiàn)了超聲速來流條件下氣態(tài)乙烯和常溫煤油旋轉(zhuǎn)爆震的穩(wěn)定工作,分析了碳?xì)淙剂闲D(zhuǎn)爆震傳播特性,研究了當(dāng)量比對乙烯旋轉(zhuǎn)爆震波傳播頻率和強(qiáng)度的影響。
旋轉(zhuǎn)爆震直連試驗(yàn)系統(tǒng)由測控系統(tǒng)、氣源、連接管路、試驗(yàn)臺架等組成??晒?yīng)的燃料包括氫氣、氣態(tài)碳?xì)淙剂?、煤油等。圖1為旋轉(zhuǎn)爆震直連試驗(yàn)?zāi)P蛯?shí)物圖,空氣加熱器產(chǎn)生的高溫高壓空氣進(jìn)入轉(zhuǎn)接段和試驗(yàn)段,其中試驗(yàn)段包括超聲速噴管、隔離段、爆震燃燒室和尾噴管,截面均為環(huán)形。
圖 1 旋轉(zhuǎn)爆震直連試驗(yàn)?zāi)P虵ig. 1 Rotating detonation direct connected test model
旋轉(zhuǎn)爆震直連試驗(yàn)使用的燃料為乙烯和常溫煤油,燃料通過沿圓周方向均勻分布的噴孔進(jìn)行噴注,噴注位置位于隔離段與爆震燃燒室之間的擴(kuò)張流道內(nèi)。燃料流量通過限流裝置和燃料供應(yīng)主管路的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用切向安裝的熱射流管實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)爆震波的起爆,熱射流管工作介質(zhì)為氫氣和氧氣。采用PR-23SY型壓力傳感器(Keller公司)測量管路壓力,采集頻率為500 Hz,量程為12~16 MPa,精度為0.5% FS。
為分析旋轉(zhuǎn)爆震的傳播特性,在隔離段和燃燒室外壁面軸向和周向不同位置布置了PCB 113B24型高頻壓力傳感器(采集頻率2 MHz)和M7000型低頻壓力傳感器(采集頻率500 Hz,量程700 kPa,精度0.5% FS)。
采用燃燒型三組元空氣加熱器模擬吸氣式發(fā)動機(jī)飛行時的高總溫來流條件。加熱器設(shè)計總溫為1250 K,加熱空氣中氧氣摩爾分?jǐn)?shù)為21.0%,與標(biāo)準(zhǔn)大氣相同。
試驗(yàn)中加熱器工作約3.5 s(t=18.3~20.7 s),加熱器室壓p較為平穩(wěn),約為1.88 MPa,略高于設(shè)計值1.8 MPa,如圖2(a)所示。圖2(b)為采用總溫耙測量的超聲速噴管出口處總溫結(jié)果,18.3~20.7 s的平均總溫T為1154.4 K,略低于設(shè)計總溫1250 K。
圖 2 加熱器室壓與總溫測量結(jié)果Fig. 2 Measured results of total pressure and total temperature of air heater
圖3為旋轉(zhuǎn)爆震直連試驗(yàn)時序圖。工作過程為:空氣加熱器三組元推進(jìn)劑管路填充、點(diǎn)火和工作;進(jìn)行試驗(yàn)啟動判別(目的是判斷加熱器是否正常工作,判斷依據(jù)為加熱器燃燒室壓力是否達(dá)到設(shè)計壓力);若加熱器正常工作,按照實(shí)線所示時序進(jìn)行試驗(yàn)(起爆管推進(jìn)劑填充、旋轉(zhuǎn)爆震燃料噴注、起爆管點(diǎn)火起爆、旋轉(zhuǎn)爆震工作、旋轉(zhuǎn)爆震結(jié)束、加熱器結(jié)束工作),旋轉(zhuǎn)爆震工作時間可由時序中的Δt調(diào)整;若加熱器未正常工作,則不啟動后續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震時序,試驗(yàn)結(jié)束。
圖 3 試驗(yàn)時序圖Fig. 3 Experimental test time sequence
表 1 試驗(yàn)工況Table 1 Experiment condition
以4#試驗(yàn)為例分析直連試驗(yàn)結(jié)果(乙烯當(dāng)量比為0.72)。試驗(yàn)過程中的加熱器室壓p,隔離段壁面壓力p、p、p以及爆震燃燒室壓力p~p隨時間的變化如圖4所示。加熱器室壓p平均值為1.92 MPa,與設(shè)計值1.80 MPa基本一致。
根據(jù)圖4(a)可知,加熱器穩(wěn)定工作時間為3.51 s(15.53~19.04 ms)。在加熱器穩(wěn)定工作時間段內(nèi),隔離段壓力保持不變。假設(shè)超聲速噴管和隔離段中為等熵流動,當(dāng)?shù)貧饬黢R赫數(shù)Ma由下式計算:
圖 4 4#試驗(yàn)壓力測量結(jié)果Fig. 4 Pressure results of test 4#
式中,p、Ma和分別為壓力、馬赫數(shù)和比熱比。
根據(jù)加熱器穩(wěn)定工作階段的加熱器室壓p以及隔離段壁面壓力p、p、p,可得隔離段3個傳感器所在位置的氣流馬赫數(shù)分別為2.477、2.411和2.411。其中,隔離段第1個壓力測點(diǎn)距超聲速噴管出口約20 mm,氣流馬赫數(shù)2.477與超聲速噴管設(shè)計馬赫數(shù)2.5吻合較好;在隔離段第2、3個壓力測點(diǎn)處,隔離段內(nèi)外壁面均受邊界層發(fā)展影響,氣流壓力升高、速度稍有降低。
圖4(b)為4#試驗(yàn)爆震燃燒室不同位置壁面壓力隨時間的變化。在17.33 s時刻,爆震燃燒室壓力p~p迅速升高,最大值約為隔離段入口壓力的3.9倍,燃燒放熱持續(xù)時間(即旋轉(zhuǎn)爆震持續(xù)時間)為370 ms(t=17.33~17.70 s)。
圖5(a)為 高 頻 壓 力 傳 感 器PCB1、PCB2、PCB3的原始電壓信號。受高溫爆震燃燒產(chǎn)物的影響,原始電壓信號在試驗(yàn)過程中發(fā)生了溫漂現(xiàn)象,PCB1、PCB3處未能輸出有效電壓信號(電壓值接近–10 V),僅傳感器PCB2可持續(xù)工作。根據(jù)高頻壓力波形,旋轉(zhuǎn)爆震波持續(xù)時間約為360 ms(0.19~0.55 s)。根據(jù)高頻采集系統(tǒng)和低頻采集系統(tǒng)的時間同步關(guān)系,旋轉(zhuǎn)爆震工作時間為17.14~17.50 s;而基于壁面壓力判斷的旋轉(zhuǎn)爆震工作時間為17.33~17.70 s,共370 ms,與基于高頻壓力判斷的旋轉(zhuǎn)爆震工作時間基本一致。
圖 5 4#試驗(yàn)高頻壓力Fig. 5 High frequency pressure of test 4#
式中,D為燃燒室平均直徑,N為爆震波波頭數(shù)目。
由于僅有一個PCB傳感器正常工作,無法判斷爆震波波頭數(shù)目。若燃燒室中存在2個同向傳播的爆震波,爆震波傳播速度為1375 m/s;若存在3個同向傳播的爆震波,則爆震波傳播速度為917 m/s。在忽略溫度和壓力影響的情況下,C-J速度主要受當(dāng)量比的影響。當(dāng)量比為0.72、常溫常壓條件下乙烯和空氣的C-J速度為1700 m/s,2個爆震波時的傳播速度為C-J速度的80.9%,速度虧損約20.1%;3個爆震波時的傳播速度為C-J速度的53.9%,速度虧損約46.1%。參考文獻(xiàn)[8-18]的結(jié)果,碳?xì)淙剂媳鸩ǖ钠骄鶄鞑ニ俣燃s為735~1226 m/s,為C-J速度的43.7%~68%。假設(shè)4#試驗(yàn)中爆震波波頭數(shù)目為3個,爆震波傳播速度917 m/s,為C-J速度的53.9%,與文獻(xiàn)結(jié)果較為吻合。
圖 6 4#試驗(yàn)旋轉(zhuǎn)爆震波傳播頻率Fig. 6 Rotating detonation propagation frequency results of test 4#
穩(wěn)定工作階段的爆震波傳播頻率如圖6(a)所示,可知爆震波傳播過程總體較平穩(wěn),平均傳播頻率為6.04 kHz。PCB壓力信號本身反映了旋轉(zhuǎn)爆震波傳播的周期特性,對原始壓力信號進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT),得到如圖6(b)所示的功率譜分布圖。通過FFT變換得到的主頻為6.0707 kHz,與上述計算方法結(jié)果吻合較好。因此,在4#試驗(yàn)中,當(dāng)量比為0.72時,乙烯燃料旋轉(zhuǎn)爆震穩(wěn)定工作的傳播頻率為6.04 kHz;在旋轉(zhuǎn)爆震工作過程中,隔離段入口氣流速度約保持為Ma=2.5,即模擬飛行條件下進(jìn)氣道出口未受到旋轉(zhuǎn)爆震波的影響。
在不同當(dāng)量比下開展了系列試驗(yàn),在當(dāng)量比0.43~0.99范圍內(nèi)均實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)爆震波的起爆和穩(wěn)定傳播。
圖7(a)給出了爆震燃燒室高頻壓力FFT主頻f和燃燒室沿程壁面壓力最大值p(記為燃燒室壓力)隨當(dāng)量比的變化情況。爆震燃燒室高頻壓力FFT主頻f(即爆震波平均傳播頻率)和燃燒室壓力均基本隨當(dāng)量比增大而線性升高,燃燒放熱強(qiáng)度增大。圖7(b)為隔離段出口端壓力p、p隨當(dāng)量比的變化。當(dāng)量比為0.43~0.64時,爆震燃燒反壓影響區(qū)域位于p測點(diǎn)下游;當(dāng)量比增大至0.72~0.99時,燃燒室壓力提高、爆震反壓影響區(qū)域前移至p測點(diǎn)處。整個試驗(yàn)工況范圍內(nèi),旋轉(zhuǎn)爆震穩(wěn)定工作時隔離段壓力p保持不變,即旋轉(zhuǎn)爆震燃燒反壓區(qū)域位于隔離段p測點(diǎn)下游。
圖 7 不同當(dāng)量比下的旋轉(zhuǎn)爆震波傳播主頻及燃燒室和隔離段壓力Fig. 7 Rotating detonation propagation frequency,and pressure in the combustor and isolator under different equivalent ratios
為進(jìn)一步分析爆震波強(qiáng)度等隨當(dāng)量比的變化,統(tǒng)計了系列試驗(yàn)過程中同一燃燒室壓力測量位置的爆震波高頻壓力平均峰值,如圖8所示。
圖 8 不同當(dāng)量比下的爆震波高頻壓力平均峰值Fig. 8 Averaged detonation wave pressure peaks under different equivalent ratios
隨著當(dāng)量比增大,爆震波高頻壓力平均峰值先升高后降低,即爆震波相對強(qiáng)度隨當(dāng)量比增大先升高后降低。爆震波高頻壓力平均峰值最大值對應(yīng)的當(dāng)量比約為0.72。
在當(dāng)量比0.45~0.72范圍內(nèi),燃料流量隨當(dāng)量比增大而逐漸增大,燃燒放熱量升高,故爆震燃燒室壓力和傳播頻率逐漸增大。當(dāng)量比增大至0.8、0.9時,燃燒放熱量、爆震燃燒室壓力和傳播頻率進(jìn)一步升高,但爆震波高頻壓力平均峰值逐漸降低,這與較高當(dāng)量比下爆震波前爆燃燃燒增加有關(guān)。原因可能在于:旋轉(zhuǎn)爆震屬于邊混合邊燃燒的過程,新一輪可燃混合氣與上一輪旋轉(zhuǎn)爆震燃燒產(chǎn)物在交界面上接觸并形成提前燃燒;當(dāng)量比增大后,燃燒產(chǎn)物溫度升高,加劇了提前燃燒,從而降低了旋轉(zhuǎn)爆震的燃燒放熱量和高頻壓力平均峰值。
爆震波前可燃混合氣的提前燃燒還會導(dǎo)致可燃混合氣溫度升高,從而降低爆震波壓比和峰值壓力。另外,爆震燃燒室壓力升高會降低燃燒室入口氣流速度,增加可燃混合氣在旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室內(nèi)的停留時間和因此導(dǎo)致的提前爆燃燃燒量,并加劇燃料噴嘴附近的局部邊界層分離以及可燃混合氣與高溫旋轉(zhuǎn)爆震燃燒產(chǎn)物的接觸時間,進(jìn)一步降低爆震燃燒放熱量和爆震波強(qiáng)度。與當(dāng)量比0.8、0.9的工況相比,當(dāng)量比1.0時高頻壓力平均峰值稍有升高,可能原因是:與當(dāng)量比0.8、0.9的工況相比,當(dāng)量比1.0工況下旋轉(zhuǎn)爆震波前的提前爆燃不足以消耗增加的燃料流量,故高頻壓力平均峰值又稍有升高。
針對試驗(yàn)構(gòu)型開展了三維非預(yù)混旋轉(zhuǎn)爆震燃燒流場計算(乙烯當(dāng)量比1.0)。對穩(wěn)定傳播階段的隔離段和燃燒室沿程壓力進(jìn)行面積平均處理,并與試驗(yàn)所得時間平均沿程壓力分布結(jié)果對比,如圖9所示。試驗(yàn)和計算結(jié)果均捕捉到了隔離段壓力升高過程,燃燒室中形成了壓力平臺,試驗(yàn)所得最大無量綱燃燒室壓力為3.9,低于計算值4.6,這與計算采用的總包化學(xué)反應(yīng)模型和忽略壁面?zhèn)鳠嵊嘘P(guān)。另外,試驗(yàn)中燃燒室最大壓力起始位置更靠近上游,這表明燃燒放熱位置更提前,如圖中紅色箭頭標(biāo)注所示。燃燒室最大壓力起始位置更靠近上游的原因可能在于:高度較低的隔離段中存在安裝激波,使得流動分流、爆燃燃燒提前,燃燒反壓影響區(qū)域前移;同時,爆震波燃燒放熱量減少、強(qiáng)度降低,燃燒室最大壓力降低且位置向上游移動。
圖 9 隔離段和燃燒室沿程壓力計算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比Fig. 9 Comparison of computational and experimental results of pressure distribution in the isolator and combustor
以常溫煤油為燃料初步開展了直連試驗(yàn),當(dāng)量比為0.70。試驗(yàn)過程中的加熱器室壓p,隔離段壁面壓力p、p、p以及爆震燃燒室沿程壓力p~p如圖10所示。在圖10(a)中,起爆后隔離段壓力p出現(xiàn)了波動,但最終恢復(fù)穩(wěn)定,且基本不受旋轉(zhuǎn)爆震的影響。原因可能包括:一方面,煤油燃料旋轉(zhuǎn)爆震波的傳播穩(wěn)定性低于乙烯;另一方面,煤油燃料的旋轉(zhuǎn)爆震波波頭數(shù)目少于乙烯,但傳播速度與乙烯基本一致,使得煤油燃料旋轉(zhuǎn)爆震波對來流的影響更為強(qiáng)烈,需要更長時間形成穩(wěn)定流場。其他結(jié)果與圖4類似,不再贅述。
圖 10 8#試驗(yàn)壓力結(jié)果Fig. 10 Pressure results of test 8#
圖11(a)為8#試驗(yàn)的高頻壓力局部放大圖,壓力具有明顯的周期性和脈動特征,判斷形成了旋轉(zhuǎn)爆震波。圖11(b)為FFT結(jié)果,主頻為3.97 kHz,判斷形成了2個爆震波。采用2.1節(jié)的方法進(jìn)行計算,煤油燃料旋轉(zhuǎn)爆震波的傳播速度約為904 m/s。與工況相近、當(dāng)量比為0.72的4#乙烯旋轉(zhuǎn)爆震試驗(yàn)結(jié)果相比,煤油燃料旋轉(zhuǎn)爆震波波頭數(shù)目減少、傳播速度基本一致(略有降低)。
煤油燃料旋轉(zhuǎn)爆震試驗(yàn)圖像如圖12(a)所示。旋轉(zhuǎn)爆震工作過程中,燃燒室火焰為透明的淡藍(lán)色,尾噴管出口無明顯火焰。圖12(b)為形成外燃(爆燃)時的圖像,尾噴管出口火焰明顯長于旋轉(zhuǎn)爆震時尾噴管出口火焰。
圖 11 8#試驗(yàn)高頻壓力結(jié)果Fig. 11 High frequency pressure results of test 8#
在模擬飛行馬赫數(shù)5.0條件下開展了乙烯和常溫煤油旋轉(zhuǎn)爆震直連試驗(yàn),得到如下結(jié)論:
1)在乙烯當(dāng)量比0.43~0.99范圍和常溫煤油當(dāng)量比0.7工況下實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)爆震波的穩(wěn)定傳播。旋轉(zhuǎn)爆震工作期間,隔離段入口始終保持為馬赫數(shù)2.5,未受到旋轉(zhuǎn)爆震的影響。
2)通過高頻壓力測量,乙烯旋轉(zhuǎn)爆震波傳播頻率范圍為5.32~6.42 kHz,爆震燃燒室平均壓力和爆震波平均傳播頻率均隨當(dāng)量比的增大而線性增大。當(dāng)量比為0.72時,燃燒室內(nèi)為3個爆震波頭,速度虧損約為46%。
3)隨著乙烯當(dāng)量比增大,爆震波高頻壓力平均峰值先升高后降低。當(dāng)量比較高時爆震波高頻壓力平均峰值降低,可能是爆燃比例相對增大導(dǎo)致的。
圖 12 煤油燃料旋轉(zhuǎn)爆震試驗(yàn)圖像Fig. 12 Photography of kerosene-fueled test results
4)與隔離段壁面沿程壓力相比,旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室的壁面壓力迅速升高并形成了壓力平臺。
5)以乙烯相比,煤油為燃料時的旋轉(zhuǎn)爆震波波頭數(shù)目減少,傳播速度基本一致。