2018, Vol. 39
2. 西北工业大学 动力与能源学院，陕西 西安 710072
2. School of Power and Energy, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China
近年来，随着微型卫星尺寸的不断减小，以及功能的不断增加，研制一种能够提供精确的推力和冲量且低能耗的微型推进装置变得极为重要。目前，微动力系统(MEMS)的研究正在逐步的兴起，相比于基于电池提供能量的微型喷气发动机，基于化学燃烧的微型喷气发动机以其能量利用率高、推力范围广等优点被广泛的研究。但是，大部分基于化学燃烧的微型喷气发动机在燃烧室进行的是缓燃燃烧，且混合气在进入燃烧室前需要消耗额外的功对混合气进行增压。而脉冲爆震发动机(Pulsed Detonation Engine，简称PDE)作为一种利用脉冲式爆震波产生的高温、高压燃气来产生推力的新型概念发动机[1, 2]，以其热循环效率高、推重比大，尺寸小，适用范围广等优点，已经引起很多国家的高度重视。
当前，微爆震的研究还处于起步阶段，缺少较成熟的理论体系。在大尺度爆震管中，爆震波起始与传播的影响因素主要是湍流度，而在微小尺度爆震管中，附面层粘性效应则起到关键作用；此外，爆震管当量直径减小，火焰的加速率增强。同时在微小尺度条件下(μm~mm量级)爆震管的特征尺寸已经接近于燃料的胞格尺寸，更易于达到爆震极限。Wu等[3, 4]首次利用高速摄影仪拍摄到了乙烯/氧气在0.5~3 mm管道内的爆震波传播现象，得到了爆震波的不同传播形式随当量比的变化规律。Maruta等[5~7]研究了外部加热对内径为2mm的直管和U型管火焰传播的影响，实验中壁面温度保持在1120℃，实验观察到了火焰振荡的现象。Fan等[8]深入研究了微小尺度下火焰的传播和熄火，实验结果显示可燃极限随着管道变窄而变窄，随着壁面温度升高而变宽；壁面温度对熄火直径有很大的影响，当壁面温度大于800℃时，熄火直径可以小于0.7mm，他们分析并总结了振荡火焰和稳定燃烧火焰形成的原因。文献[9~11]在小管道和窄缝隙内研究了爆震极限，这些研究给出了爆震传播的临界尺寸，观察到了不同模式的稳定爆震波，如亚声速爆震波(速度远高于普通缓燃速度)和超声速爆震波(接近或略低于C-J速度)。文献[12, 13]在不同初始压力和不同的壁面粗糙度下进行了爆震极限的研究，实验得到了爆震波在爆震极限下速度的变化规律。总的来说，爆震波的起始与传播会受到四方面的影响因素：燃料种类、管道尺寸、初始条件(如压力、温度、点火能量、当量比等)以及边界条件，尤其对于微小尺度爆震管，这四方面影响因素的重要性更大。
以上的研究都是基于单次的微爆震实验，对于多循环爆震来说，其周期性的工作特点决定了其推力是不连续的，工作频率越高，发动机越接近稳态，由推力不连续造成的振动越小，而影响爆震频率的主要因素就是可燃混合气供给的问题，目前，爆震发动机主要采用两种方式进行供给，一种是无阀自适应供给，一种则采用电磁阀或者旋转阀实现供给。至今为止，多循环的爆震实验基本都是在常规尺度下进行的[14~16]，关于微小尺度条件下的多循环实验，只有Wu等[17]在1mm×0.6mm的方形爆震室中进行过探索性实验，爆震管总体积为58mm3，他们采用无阀自适应进气，成功的获得了频率为100Hz周期性爆震，实验结果显示，当乙烯与氧气混合物的当量比在0.5~1.5反应波会经过缓燃向爆震转变，随后形成爆震波，反应波在离开管道前的速度大于2000m/s，压力大于2MPa。
相比于Wu的实验，为了获得更加稳定的爆震，本文采用富氧空气(氧气体积分数占40%)作为氧化剂，由于富氧空气相对于纯氧起爆困难，同时为了使混合气混合更加均匀，实验将在爆震管体积更大的6mm×6mm的方型爆震室中进行。Wu的实验结果只展示了同一频率下单个循环的爆震压力变化，本文将在不同的频率下进行实验，分析比较不同频率以及同一频率下不同循环之间爆震波的起爆和传播过程中压力和速度的变化，为微爆震的高频实验以及工程应用奠定基础。
2 实验装置微管多循环爆震实验系统如图 1所示，氧化剂采用富氧空气(氧气体积分数占40%)，用乙烯作为燃料。燃料和氧化剂分别通过气体过滤器、减压阀、电磁阀等的控制进入爆震管中，用电磁阀控制两路气体的间歇式供给；使用火花塞点火，点火能量大约为50mJ。火花塞、电磁阀通过信号发生器(PLC)控制。压力传感器安装在爆震管上用来测量爆震起始和传播过程中的压力，用采集仪记录压力的波动变化，采集系统的采样频率为2×105Hz。实验中使用高速摄影仪对爆震的传播过程进行记录分析，高速摄影仪的帧频为5×104fps。
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Fig. 1 Experiment system |
爆震管的结构如图 2所示，图 2(a)为爆震管各个结构的分解图，主要分为三部分：开有视窗的观测板、有机玻璃、用于爆震实验的底板。如图所示，在底板上铣出一条500mm×6mm×6mm的方型光滑狭缝作为爆震燃烧室，三块结构用螺栓依靠压应力进行密封，防止爆震室中的混合气泄露。图 2(b)为底板的主视图，p1，p2，p3，p4为四个压力传感器的位置，间距为80mm，氧化剂与燃料在进入爆震室进气孔前已经混合，进气孔与点火孔间距为50mm，可以使氧化剂与燃料充分混合一段时间，点火位置到爆震室出口距离为430mm。
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Fig. 2 Schematic of the combustor (mm) |
图 3为电磁阀与点火装置的TTL(Transistor-Transistor Logic)控制信号，在一个周期中，首先打开两路气路中的电磁阀向爆震管中通入氧化剂与燃料并进行混合，随后关闭电磁阀，打开点火装置信号进行点火。点火完成后，PLC关闭所有信号，此时爆震管中可燃混合气燃烧并开始传播，传播过程中用压力传感器测量反应波的压力，并用高速摄影仪记录传播过程。
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Fig. 3 TTL signals for the supply and ignition |
考虑到多循环爆震在常规尺度下的研究已经成型，而在微小尺度条件下还没有深入的研究，因而本文在常规尺度多循环爆震实验装置的基础上，设计了适用于微小尺度多循环爆震的实验装置。实验中采用富氧空气作为氧化剂(氧气体积分数占40%，氮气体积分数占60%)，用乙烯作为燃料，使用气体减压阀控制供气压力，供气压力为减压阀之后气体的压力，通过改变供气压力在不同频率下进行微小尺度多循环爆震实验，实验结果如表 1所示(√表示成功起爆，×表示未能起爆)，从表中可以看出只有燃料和氧化剂的供气压力分别为0.5MPa和0.6MPa时，在1，5和10Hz的频率下能够成功起爆；而其他供气压力下，或者只在频率为1Hz时才会成功起爆，或者全部不能起爆。因此，本文实验将在燃料和氧化剂的供气压力分别为0.5MPa和0.6MPa条件下进行，经测量，该工况下乙烯流量为0.174g/s，富氧空气流量为1.067g/s，对应当量比为1.3。
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Table 1 Detonation initiation results at different frequency and supply pressure |
图 4是用高速摄影仪拍摄到的不同频率下反应波在爆震室中的传播过程，分别对应频率1，5，10和20Hz。如图所示点火后反应波从点火孔开始向两边传播，向上游传播的反应波经过封闭段壁面的反射形成反射波(如图 4(a)中b点)，最后由于燃料的耗尽熄灭。向下游传播的反应波经过DDT过程形成爆震波，图中a点即为起爆位置。反应波在向下游传播过程中，每经过一个压力传感器，都会在化学反应区锋面上游出现一段光度较亮的火焰(图 4(a)中c点)，出现这种现象的主要原因是：压力传感器通过螺纹安装于测压孔中，导致传感器与测压孔之间存在缝隙，同时压力传感器端面不能与爆震室壁面完全处在一条水平线上，造成横截面积存在细微的变化；填充阶段，缝隙之间同样被充入可燃混合气，点火之后，当反应波传播到测压孔时，引起缝隙间的可燃混合气燃烧，此外由于该处横截面的变化，反应波传播到缝隙之间在周向壁面反射形成激波，新的激波随着反应波向下游传播。对比不同频率下反应波的传播过程，随着频率的增加，起爆位置(图中a点)距离点火位置越远，这是因为工作频率越高，电磁阀打开的时间会越短，可爆混合物进入爆震管中的供给时间减小；同时电磁阀的开闭会造成供给管路的流动损失，因此每个循环的填充流量下降，可爆混合物减少，导致DDT距离变长。
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Fig. 4 High-speed photography images showing the flame evolution in the microchannel at different frequencies |
图 5是不同频率下反应波在爆震室中传播速度的变化过程，速度计算方法为每相邻两帧画面化学反应区锋面传播的距离比上两帧的时间间隔。实验中高速摄影仪的帧数设置为5×104fps，相邻两帧的时间间隔为20μs，使用高速摄影仪计算出的速度误差为±30m/s。以1Hz速度变化过程为例，可以看出点火后火焰快速加速(图 5中Ⅰ)；随后经过一段稳定的缓燃燃烧阶段(Ⅱ)；之后经过DDT过程(Ⅲ)，火焰速度急剧增加；最后火焰速度增加到爆震速度形成爆震波(Ⅳ)。对比不同频率下反应波传播速度的变化，可以发现缓燃开始向爆震转变都发生在距点火处下游200mm左右，但随着频率的增加，DDT的距离越长(Ⅲ区域长度)，爆震波在离开爆震室时的速度大约为2500m/s。频率为10Hz时，达到爆震时的速度最大，频率为1Hz时，爆震速度最小；频率为1Hz和5Hz时获得爆震波之后速度基本稳定，频率为10Hz和20Hz时爆震波在出口前段速度会下降，主要是因为随着频率的增加，混合气填充时间减小，爆震室出口前段混合气的量不足以维持爆震波的稳定传播。
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Fig. 5 Comparison of the velocities at different frequencies |
图 6是相应的压力波形图，从图中可以看出随着频率的增加，反应波从p1传到p4经过的时间越长，即频率越高，反应波传播的加速度越小。频率为1Hz时，p3处的压力高达9.56MPa，之所以会出现这种情况，主要是由于爆震波在p3处刚好处于过驱爆震(图 4(c)中a点)，观察图 5中1Hz的速度变化，此时p3处的速度并没有达到爆震速度，这是因为用高速摄影仪计算的速度是两帧之间的平均速度，从图 4(c)可以发现p3前后两帧画面分别对应的缓燃燃烧和爆震燃烧，所以从曲线得到的速度不是p3点的实时速度。从图 5反应波传播速度曲线可以看出不同频率的爆震循环在p4处都达到爆震速度，即在p4处已经形成爆震波，因此图 6中p4的压力峰值即为不同频率下的爆震压力，由于传播过程中存在压力损失，所测压力相对于实际压力较低。针对图 6压力传感器测得的p-t曲线波形图，可以计算出反应波经过相邻传感器时的平均传播速度，方法为相邻传感器之间的距离比上反应波经过两个传感器所用时间，经计算频率1Hz时，反应波传播平均速度分别为1231，1333，2667m/s；频率5Hz时，反应波传播平均速度分别为1333，1777，2667m/s；频率10Hz时，反应波传播平均速度分别为1231，1231，1600m/s；频率20Hz时，反应波传播平均速度分别为1231，1231，1778m/s。对比图 5中的数据，对于频率1Hz和5Hz，由于在p3处基本已经开始形成爆震，因此其p3到p4的平均速度与图 5中速度相近，达到爆震速度；对于频率10Hz和20Hz，由于该频率下爆震形成位置已靠近p4，因此其p3到p4的平均速度比图 5中速度小。
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Fig. 6 Pressure evolutions at different frequencies |
四个压力传感器分别安置在爆震管的不同位置，不仅可以实时监测反应波在爆震室中的压力变化，同时还可以利用反应波经过相邻传感器的时间间隔计算反应波传播的平均速度。图 7分别展示了频率1，5，10，20Hz的压力波形图，对比分析不同频率的压力波形图，可以看出频率为1Hz(图 7(a))时，不同循环的压力波形基本一致；频率为5Hz(图 7(b))，10 Hz(图 7(c))和20Hz(图 7(d))时，每一个循环的压力波形都存在着差异，p1和p2处的压力波形基本保持一致，从p3处开始不同循环的压力波形出现差异，频率为10Hz时，中间有几组循环的压力波形差异很小，从上节可以知道p3到p4处正好是起爆的位置，可见多循环实验中爆震前的缓燃燃烧对反应波压力的影响比较小，而形成爆震后，爆震波的压力变化就比较大。多循环爆震实验中由于反应波在爆震管中传播时的压力相对于供气压力大，在没有完全泄压前就会阻碍混合气的填充，频率越高，开始泄压与开始填充之间的时间越短，爆震室中混合气的填充量就会越少；同时在进行几个爆震循环后，壁面的温度会升高，点火前混合气的初始压力和温度也会增高，频率越高，散热的时间越短，间接地影响爆震循环。因此多循环爆震实验每一个爆震循环都会对下一次的爆震循环产生影响，加之微小尺度的爆震对外界条件的改变比常规尺度更加敏感，所以微小尺度多循环爆震实验在固定频率下的每一个爆震循环都可能存在差异。
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Fig. 7 Pressure time history at different frequencies |
图 8是用高速摄影仪计算出的同频率下不同爆震循环的速度变化过程。频率为1Hz时(图 8(a))，不同爆震循环的速度变化过程保持一致，DDT距离和起爆位置基本相同；频率为10Hz时(图 8(b))，各个爆震循环前面缓燃燃烧时的速度变化趋势相同，但缓燃向爆震开始转变的位置存在差异，且DDT距离也不尽相同；频率为20Hz时(图 8(c))，不同爆震循环只有在点火后的短暂加速过程[18]速度变化相同，稳定缓燃燃烧阶段、DDT开始的位置以及DDT距离都存在差异，部分循环在爆震室出口前还没有完全进入爆震燃烧(循环11，依次从第一个压力波形开始向后编号)。速度变化的差异也可以说明频率的改变对混合气的填充量有一定的影响，同时可以看出同一频率下前一个爆震循环会对下一个爆震循环产生影响。
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Fig. 8 Velocity evolutions at different cycles for the same frequency |
同常规尺度的PDE一样，若要将微爆震应用于微推进装置，必须将多循环的频率提高。在上节中，采用富氧空气和乙烯，供气压力分别为0.6MPa和0.5MPa，成功地在20Hz的频率下获得了爆震波。本节继续使用该工况，在更高频率下进行点火实验。图 9分别为频率25Hz和30Hz的压力波形图，当频率为25Hz时，如图 9(a)所示，可以看出p1~p3的压力都低于2MPa，p4处的压力相对较高，但基本都不超过3MPa，通过利用相邻传感器的距离除以反应波经过相邻传感器的时间计算出每个循环的最高速度都不超过1500m/s(大于50%的C-J速度)，可知此时反应波正处于DDT增速阶段，在还没有形成爆震波之前就已经传出了爆震室。当频率为30Hz时，如图 9(b)所示，可以看出各个循环的压力与25Hz时的大小基本相同，通过计算速度也基本处于DDT增速阶段，但是观察压力波形图，在该频率下，压力波形会缺少几个循环，即混合气没有被点燃，主要是由于频率的提高，导致填充时间减少，爆震室中的混合气的填充量不足以点燃或形成爆震。图 10是不同频率下p4处测得的压力值，从图中可以看出，频率25Hz和30Hz测得的压力相对于其他频率的压力较低，没有达到爆震压力，可知在这两个频率下，反应波传到p4处没有形成爆震波。
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Fig. 9 Pressure time history at different frequencies |
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Fig. 10 Pressure evolutions of p4 at different frequencies |
综上所述，频率的提高影响最大的就是混合气填充量，本文实验采用电磁阀调节混合气的进气频率，与点火频率存在相位差，若要获得更高的爆震频率，以后的实验可以尝试采用无阀自适应进气，同时也可以通过改变供气压力以及混合气的配比等参数，以求获得更高的频率。
4 结论本文以40%的富氧空气为氧化剂，乙烯为燃料，氧化剂和燃料的供给压力分别为0.6MPa和0.5MPa，进行了微小尺度下多循环实验的探索研究，主要结论如下：
(1)在6mm×6mm的方型爆震室中，成功地在1Hz，5Hz，10Hz和20Hz的频率下实现了多循环爆震，爆震波离开爆震室出口前的速度大约为2500m/s，频率越高，起爆位置距离点火孔越远，DDT距离越长。
(2)频率为1Hz时，不同爆震循环反应波传播速度变化相同，频率为10Hz和20Hz时，不同爆震循环的反应波传播速度之间存在差异，DDT开始的位置和DDT距离不同，前一个爆震循环会对下一个爆震循环产生影响。
(3)频率为25Hz和30Hz时，混合气的填充量减少，化学反应区与激波将不能在爆震室中耦合形成爆震波。
本文主要在恒定供给压力下进行的实验，有待改进的地方还有很多，今后将针对初始压力和温度以及边界条件对微小尺度多循环爆震的影响展开研究。
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