2018, Vol. 39
2. 中国人民解放军 95896部队, 河北 沧州 061700
2. Unit 95896, The Chinese People's Liberation Army, Cangzhou 061700, China
脉冲爆震发动机[1, 2](Pulse Detonation Engine, PDE)是一种利用脉冲式的爆震波来产生推力的新概念发动机, 因其具有热循环效率高(爆震热循环效率为49%)、结构简单质量轻、单位燃料消耗低、工作范围广等优势[3]而广受关注。但是PDE又因一些挑战与难题而阻碍其研究进展, 重复点火和点火能量大是其中的关键。激波聚焦起爆爆震[4, 5]的概念则为解决这些难题提供了一个方向。俄罗斯的Levin科研团队[6, 7]提出的两级脉冲爆震发动机(2-Stage PDE)就是一种基于连续超声速射流对撞诱导激波聚焦起爆爆震的新形式PDE。2-Stage PDE通过两级起爆的方式来起爆爆震波:首先, 油气混合气在预燃室中富油燃烧, 产生大量高活性的小分子化合物; 然后, 小分子化合物与新鲜空气进一步混合形成易燃混合气, 易燃混合气经过环形射流喷管加速至超声速并向凹面腔内喷出, 在凹面腔内对撞诱导激波聚焦并起爆爆震波。由于2-Stage PDE是利用超声速射流对撞诱导激波聚焦所产生的能量来间接或直接起爆爆震, 所以能避免传统PDE中的点火难题, 也因此吸引了国内外科学家对其进行研究。
俄罗斯在2001年首次提出2-Stage PDE的概念, 在之后的实验中[7], 在冷态条件下测出了7.5kHz的气流震荡频率。美国的GE研究中心[8]在2003年进行了冷态条件下二维凹面腔内超声速射流对撞的实验和数值模拟, 发现了腔内气流自震荡的特征, 但是凹面腔底部并没有测量到显著的压力脉动, 通过纹影图片也没有观察到激波聚焦的现象; 2005年, Keith等[9]在2-Stage PDE样机中进行了以多种气体和液体燃料为介质条件下的热态实验, 发现了两种不同的燃烧模式:第一种凹面腔内燃烧不完全, 尾喷管外观测到湍流燃烧火焰, 无压力脉动, 另一种出现较短的蓝色火焰, 有高于环境压力15%的压力脉动, 分析认为两种都不是爆震; 南京航空航天大学的周泓等[10]在二维2-Stage PDE样机中研究了射流对撞诱导激波聚焦的机理以及影响因素, 证实了超声速射流对撞诱导激波聚焦的可行性, 同时发现必须满足一定的射流压力才能实现激波聚焦。空军工程大学的何立明团队[11~14]先后进行了二维凹面腔内激波聚焦起爆爆震的数值模拟与实验, 设计了三维2-Stage PDE实验系统并开展了冷、热态条件下的实验, 取得了一些进展; 据报道[15]俄罗斯的研究人员在2013年设计制造了2-Stage PDE样机, 获得了工作时间超过10min的连续爆震, 平均推力达到980N, 比推力超过常规发动机30%~50%。
虽然近几年来对激波聚焦起爆爆震的研究已经取得了一些进展, 但是目前为止只有俄罗斯的科研人员成功实现了连续爆震, 距离装备实际应用还有很大的距离。本文在前期研究的基础上, 以汽油/空气混合气为介质, 在2-Stage PDE样机中开展了热态实验, 分析了导流角和导流环深度对激波聚焦起爆爆震的影响。
2 实验方法图 1和图 2分别为2-Stage PDE激波聚焦起爆爆震实验系统的示意图和实物照片。实验系统主要由供气系统、供油系统、点火控制系统、测量系统以及原理样机等部分组成。其中供气系统主要包括一台单螺杆空气压缩机、空气过滤器、干燥机、储气罐以及相应的供气管路。大气环境中的空气经过空气压缩机压缩进入储气罐, 储气罐内的高压气体经过空气过滤器和干燥机后进入样机, 其中一部分用于预燃室内的富油燃烧, 另一部分用于与富油燃烧产生的小分子化合物掺混形成易燃混合气。凹面腔底部布置单晶硅式动态压力传感器, 通过示波器显示测量数据, 其中示波器的采样频率为100kHz, 采样时间为10s。
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Fig. 1 Schematic diagram of 2-Stage PDE experiment system |
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Fig. 2 Picture of 2-Stage PDE experiment system |
凹面腔起爆段的结构如图 3所示。各结构参数分别为导流角θ, 导流环深度d, 喷口宽度W=6mm, 凹面腔开口端与喷口间距L=0mm, 凹面腔开口直径D=100mm(型面方程x2+y2+z2=502)。在本文中的实验中, 汽油的流量为58.1g/s, 空气流量为865.0g/s, 即余气系数为1.0128。保持其余参数不变, 分别在不同导流角和导流环深度时开展实验。
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Fig. 3 Schematic diagram of concave cavity section |
通过前期的实验可以发现, 点火后出现了三种不同的燃烧形式:燃烧形式A是一种点火后单次出现的压力脉动幅值较大(0.4MPa以上)的脉动燃烧现象, 称为“强震荡燃烧”, 其特点是压力脉动幅值在0.4~0.9MPa, 峰值压力上升时间较短, 在1ms左右, 在点火后首先出现且不多于一次; 燃烧形式B是一种多次循环出现的压力脉动幅值较小(0.4MPa以下)的脉动燃烧现象, 称为“弱震荡燃烧”, 其特点是压力脉动幅值在0.15~0.4MPa, 峰值压力上升时间较长, 在3ms以上, 紧随强震荡燃烧之后出现或点火后直接出现; 燃烧形式C则是典型的“缓燃”。本文根据脉动燃烧的压力幅值、压力跃升时间、脉动次数等来判断三种燃烧形式。这三种燃烧形式通过两种组合的方式出现:一种是单次强震荡燃烧+多次弱震荡燃烧+缓燃, 如图 4(a)所示, 另一种是多次弱震荡燃烧+缓燃, 如图 4(b)所示。
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Fig. 4 Two kinds of compound modes |
出现这3种燃烧形式说明激波聚焦的能量不能直接起爆爆震, 只是点燃了混合气产生缓燃波, 需要一段DDT距离才能转换为爆震, 而压力测量点与聚焦起爆点距离很近, 无法测到爆震波。根据凹面腔底部测得的峰值压力可以判断起爆爆震的难易程度, 即凹面腔底部峰值压力越大, 说明激波聚焦点燃的缓燃波能量越大, 越有利于起爆爆震波。本文通过分析强震荡燃烧和弱震荡燃烧的峰值压力等特性来研究导流角和导流环深度对爆震的影响。
3.1 导流角对起爆爆震的影响在导流环深度d=20mm的条件下, 分别在导流角θ=0°, 11°, 15°的工况下进行实验。经过3种工况的多次实验, 都只得到了强震荡燃烧+弱震荡燃烧+缓燃组合的燃烧方式, 如图 5所示。从图中可以看出, 在3种导流角情况下, 点火后都有一次峰值压力较大的强震荡燃烧, 然后是一系列压力较小的弱震荡燃烧, 但是弱震荡燃烧次数普遍都较少, 最后是缓燃直至熄火。
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Fig. 5 Pressure curves at the bottom of concave cavity with different θ |
为了减小实验偶然性对结果的影响, 本文在每种导流角条件下进行多次试验, 得到强震荡燃烧峰值压力的平均值, 如图 6所示。可以很明显地看出, 导流角越大, 强震荡燃烧的平均峰值压力越大, 越有利于起爆爆震。这种变化趋势是导流角对环形超声速射流方向的约束所导致的, 当超声速射流从射流喷管出口喷出后, 一侧是封闭的凹面腔, 另一侧是大气环境, 射流会瞬间将凹面腔填充完毕并使其压力增大, 而另一侧的大气压力则保持不变, 在压差的作用下, 射流的流动方向必然远离凹面腔, 同时会使部分射流分散进入大气, 导致射流的压力和能量损失, 在对撞后诱导激波聚焦的能量减小, 起爆爆震的难度增大。而导流角则会使射流的流动方向偏向凹面腔, 流出射流喷管出口后分散进入大气的变少, 压力和能量损失变小, 对撞后诱导激波聚焦的能量变大, 使缓燃波在传播至凹面腔底部时更接近于爆震, 传感器测得的峰值压力更大。
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Fig. 6 Average peak pressure of strong oscillation combustion with different θ |
本文只进行了三种导流角条件下的实验, 所得到的导流角越大越有利于起爆爆震的结论不一定适用于更大的导流角。事实上, 文献[14]中开展了导流角对起爆爆震影响规律的数值研究, 其结果为:随着导流角的增大, 聚焦起爆点的温度和压力先升高后降低, 在导流角为25°时达到最大值, 且起爆时刻提前, 工作频率提高, 单位时间内整个装置的净冲量也增大。本文采用文献[14]中的数值算法进行了冷态条件下的单循环超声速射流对撞诱导激波聚焦的数值模拟(计算模型尺寸与实验中的凹面腔实验段相同, 初始条件等均与实验相同), 得到了导流角对凹面腔底部(聚焦区域)压力和温度的影响规律, 如图 7所示。可以看出聚焦区域的压力和温度随导流角的增大呈现先增大后减小的趋势, 在导流角为25°时聚焦区域的压力和温度最大。因此, 根据本文实验结果得到的结论必须限定在本文三种工况的条件下。
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Fig. 7 Pressure and temperature at the bottom of cavity with different θ |
在导流角θ=11°的条件下, 分别在导流环深度d=4, 7.5, 10, 15, 17和20mm的工况下进行实验, 研究导流环深度对爆震的影响。在各工况下进行多次实验, 发现在各工况条件下都出现了强震荡燃烧+弱震荡燃烧+缓燃组合的燃烧方式, 除此之外, 在d=4, 7.5, 10, 15mm时还出现了弱震荡燃烧+缓燃组合的燃烧方式。
图 8是在d=4, 7.5, 10, 15mm时弱震荡燃烧和缓燃的压力变化曲线图, 从图中可以看出, 各工况压力曲线中都没有出现强震荡燃烧的压力变化波形, 在点火之后直接出现了多次弱震荡燃烧, 然后转化为缓燃, 最后熄火。通过对比可以看出, 在不同的导流环深度条件下都出现了较长时间的弱震荡燃烧, 但是弱震荡燃烧的最大峰值压力、燃烧持续时间、弱震荡燃烧次数、震荡频率都不相同。从图中可以看出, 在导流环深度d=15mm时, 弱震荡燃烧的峰值压力最大, 燃烧持续时间最长, 但是震荡次数和频率都较小。分析认为, 导流环深度越大, 超声速射流越不容易分散到大气环境中, 射流能量损失越少, 射流对撞区域能量越大, 激波聚焦的能量越大, 而且凹面腔内压力不容易泄除, 导致了凹面腔底部的压力幅值比较大。鉴于d=15mm时的峰值压力明显大于其他三种工况, 综合分析认为, 在4种出现弱震荡燃烧和缓燃组合的工况中, 导流环深度d=15mm时弱震荡燃烧性能最好。
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Fig. 8 Pressure curves of weak oscillation combustion and deflagration with different d |
在实验的6种导流环深度条件下都出现了强震荡燃烧、弱震荡燃烧和缓燃的组合燃烧方式, 其压力变化曲线如图 9所示。从图中可以看出, 在各种工况条件下, 点火后都是先出现一次强震荡燃烧, 随后是一系列的弱震荡燃烧, 然后是缓燃直至熄火。当导流环深度d=4mm和d=17mm时, 弱震荡燃烧的次数比较多、持续时间比较长, 其余工况下的弱震荡燃烧的次数比较少、持续时间比较短。总体来说, 弱震荡燃烧的压力幅值逐渐变小直至变为缓燃。鉴于强震荡燃烧更能反映起爆爆震的难易程度, 所以主要对比强震荡燃烧的峰值压力。从图中可以看出, 随着导流环深度的增大, 强震荡燃烧的峰值压力逐渐增大, 为了减小实验偶然性对结果的影响, 本文在各种导流环深度条件下进行多次实验, 计算出各工况强震荡燃烧的平均峰值压力, 如图 10所示。
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Fig. 9 Pressure curves at the bottom of concave cavity with different d |
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Fig. 10 Average peak pressure of strong oscillation combustion with different d |
从图 10中可以明显地看出, 随着导流环深度的增大, 强震荡燃烧的平均峰值压力不断增大。导致这种变化趋势的原因与弱震荡燃烧相同, 增大导流环深度可以使射流在对撞之前分散少, 射流对撞区域能量大, 对撞激波反射聚焦的能量大, 聚焦点燃的缓燃波更容易转化为爆震, 导致凹面腔底部测得的压力更大。文献[14]中研究了导流环深度对起爆爆震影响规律的数值模拟, 其结果为:在导流角较小的情况下, 导流环越深, 工作频率越低, 单位时间内整个装置的净冲量越小; 在导流角较大的情况下, 导流环越深, 工作频率越高, 单位时间内整个装置的净冲量越大。可见, 导流环深度对起爆爆震的影响规律受具体实验条件的限制。为了保证文章的严谨性, 本文实验得到的导流环深度对起爆爆震影响规律的结论必须限定在本文的六种工况条件下。
4 结论本文在2-Stage PDE实验系统中开展了以汽油/空气为介质的热态实验, 通过分析强震荡燃烧和弱震荡燃烧的特征, 来研究导流角和导流环深度对爆震的影响规律, 得出以下结论:
(1) 保持导流环深度d=20mm不变, 在3种导流角条件下, 导流角越大, 强震荡燃烧的平均峰值压力越大, 越有利于起爆爆震。
(2) 保持导流角θ=11°不变, 在6种导流环深度条件下, 导流环深度越大, 强震荡燃烧的平均峰值压力越大, 弱震荡燃烧的综合性能越好, 越有利于起爆爆震。
(3) 实验中并没有获得爆震波, 这可能与测试手段和实验工况有关。下一步将在凹面腔后安装测速管来测量燃烧波传播速度, 在凹面腔壁面增加测点来测量压力分布, 并在多种工况下进行试验。
致谢: 感谢国家自然科学基金资助。
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