矩形管兩相脈沖爆轟探索性實驗研究

張 群，范 瑋，袁 成，彭暢新，陳文娟

（1.西北工業(yè)大學動力與能源學院，陜西 西安，710072；2.中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心，北京，100012）

脈沖爆轟燃燒（PDC）是一種高強度、高效率、低污染的燃燒方式，這種新型燃燒方式在能源、動力、化工、加工等領域有著廣闊的應用前景。它可用于發(fā)電用的高效煤燃燒器及高效天然氣燃燒器、陶瓷生產用的先進材料合成技術、提高材料耐磨耐高溫的熱噴涂技術、城市垃圾的先進處理技術、磁流體發(fā)電技術、強噪聲發(fā)生器以及空天推進的脈沖爆轟發(fā)動機等[1-2]。

由于受到目前計算機能力及化學反應機理的限制，在矩形管中開展爆轟模擬難度要遠遠大于圓管爆轟[3-4]；而在實驗研究中，由于矩形管幾何條件引起氣動不均勻性、散熱不均勻性以及十分復雜的波動反射現象，使得爆轟的起爆與傳播就更加困難，如果采用液態(tài)燃料進行兩相爆轟，難度更大。因此，目前對絕大多數脈沖爆轟研究都是針對推進裝置在圓管中進行的，而矩形管爆轟研究幾乎都是采用氣態(tài)混合物進行的單次爆轟[5-6]。然而，在用作并聯(lián)推進裝置或其他燃氣生成器時，圓形爆轟管具有面積利用率低及能量密度分布不均勻等缺點，因此工程上迫切需要發(fā)展矩形截面爆轟管。當爆轟波在矩形管中起爆傳播時，將會產生極為復雜的各向異性流動與波動現象，因此，開展矩形管內兩相脈沖爆轟研究不僅具有重要的學術意義，也具有顯著的工程價值。

1 實驗裝置與方法

矩形兩相脈沖爆轟實驗裝置示意圖如圖1所示，由供油系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、爆轟點火及頻率控制系統(tǒng)、爆轟管、壓力測量系統(tǒng)以及數據采集系統(tǒng)等組成。

圖1 矩形兩相脈沖爆轟實驗裝置示意圖Fig.1 Experimental setup of two-phase pulse detonation in a rectangular tube

爆轟管由頭部進氣段、混合段、點火段、爆轟段和出口段組成。爆轟管頭部封閉，尾端敞口，截面尺寸為68mm×51mm，長寬比為4∶3，總長2 300mm，由普通碳鋼加工而成，在混合段、點火段及爆轟段內部安裝了矩形環(huán)狀擾流片用來促進爆轟的形成。在頭部進氣段，燃油采用離心式噴嘴噴入，空氣采用切向進氣方式；在點火段側壁面處安裝火花塞，由頻率在1～100Hz范圍內連續(xù)可調的爆轟點火及頻率控制系統(tǒng)控制起爆，火花塞點火能量為50mJ。實驗采用汽油為燃料，壓縮空氣為氧化劑，供氣、供油由相應的電動調節(jié)閥門控制，供油量、供氣量由渦輪流量計測定。在距離點火器856mm、1 056mm、1 170mm、1 265mm、1 453mm、1 553mm的爆轟段和出口段上安裝了6個壓電晶體式壓力傳感器，分別定義為P1～P6，用以監(jiān)測爆轟管內的壓力變化和爆轟形成的過程。

2 實驗結果與分析

圖2（a）～（e）分別是在頻率為6Hz、8Hz、10Hz、12Hz和15Hz時測得的爆轟管內燃氣壓力波形圖，從圖中可見，在上述各工作頻率下，爆轟管上各測點測得的壓力波形均勻，說明所設計的爆轟管工作穩(wěn)定。

圖2 不同頻率下各測點測得的燃氣壓力波形圖Fig.2 Pressure histories of different positions at various detonation frequencies

圖3為不同頻率下平均峰值壓力隨軸向距離的變化。從圖3中可見，在各不同頻率下，平均峰值壓力先隨著軸向距離的增大而逐漸增大，其中在P3位置處壓力增加最為迅速，在P4位置處平均峰值壓力達到最大，此后在P5、P6位置處燃氣壓力迅速降低。圖3中，在P4位置處，當頻率為6Hz和8Hz時，燃氣平均峰值壓力分別為1.88MPa和1.78MPa，達到或接近汽油/空氣的理論爆轟壓力值1.86MPa，說明在本實驗條件下已經形成了充分發(fā)展的脈沖爆轟波，這同時也表明本實驗條件下爆燃向爆轟轉變距離在1 170～1 265mm之間。當爆轟頻率分別為6Hz、8Hz、10Hz、12Hz和15Hz時，P5位置處的燃氣平均峰值壓力分別為0.92 MPa、0.90 MPa、0.89 MPa、0.81 MPa和0.66 MPa，相比P4位置處的燃氣壓力顯著降低，這是由于P5、P6位于噴管出口段，其內部未安裝矩形環(huán)狀擾流片，因此該位置氣流湍流程度減弱，化學反應速率降低，燃燒反應所釋放的能量不足以支持爆轟波的傳播，因此導致爆轟波強度減弱。由此可見，爆轟管內安裝強化湍流的擾流裝置對于爆轟波的形成以及自持傳播具有重要的促進作用，即使已經形成了充分發(fā)展的自持爆轟波，一旦缺少促進火焰加速的擾流裝置，爆轟波將會衰減。

圖4為P4位置處爆轟波平均峰值壓力隨爆轟頻率的變化。

圖3 不同頻率下平均峰值壓力隨軸向距離的變化Fig.3 The variation of average peak pressures with the axis position

圖4 測點4處平均峰值壓力隨爆轟頻率的變化Fig.4 The variation of average peak pressures at the position of P4 with frequency

從圖4中可見，當爆轟頻率分別6Hz、8Hz、10Hz、12Hz和15Hz時，在P4位置處測得的爆轟波平均峰值壓力分別為1.88MPa、1.78MPa、1.53MPa、1.41MPa和1.26MPa?？梢钥闯?，隨著爆轟頻率的增加，實驗測得的爆轟波平均峰值壓力逐漸減小，除了6Hz及8Hz兩種較低頻率工況外，在工作頻率為10Hz、12Hz和15Hz時，所測得的燃氣平均峰值壓力均低于理論爆轟壓力值，然而又遠遠高于快速火焰的燃氣壓力（一般小于0.5MPa），說明形成了強度較弱的準穩(wěn)態(tài)爆轟波。一般來說，油氣比一定時，爆轟波峰值壓力為一定值，但這是基于單次氣相爆轟而言的，在單次爆轟中，爆轟管內為預填充的靜止可爆均勻混氣，爆轟過程不受氣流條件的影響。而在多次脈沖爆轟中，一次爆轟過程要受到前后爆轟過程的影響，且隨著爆轟頻率的變化，爆轟管內的氣流條件也相應變化。當爆轟頻率增大時，供油、供氣速度相應增大，液態(tài)汽油霧化條件改善，湍流度增大，對爆轟形成有利；但另一方面，隨著爆轟頻率的增大，氣流速度相應增大，爆轟循環(huán)周期變短，汽油霧化、蒸發(fā)與混合時間也相應變短，使得在油氣條件尚未準備充分時，就開始了爆轟過程，從而在爆轟過程中，擴散反應的比例變大，預混反應的比例變小，并由此引起反應不完全及反應速度變慢，并最終對爆轟形成產生較大的負面影響。此外，由于理論爆轟壓力值是針對氣相汽油與空氣混合物的計算結果，而實驗中汽油是液態(tài)的，汽油蒸發(fā)時吸收汽化潛熱也會導致實驗值比理論計算值低。

圖5為圖2（a）中P4位置處的第5個爆轟壓力波形沿時間方向的展開圖，由圖5可見，壓力波上升過程極為迅速，為微秒量級，爆轟波峰值壓力達到了2.04MPa，這進一步說明在本實驗條件下已經形成了充分發(fā)展的爆轟波。

圖5 圖2（a）中P4位置處的第5個壓力波形展開圖Fig.5 Pressure history of the fifth wave at the position of P4 in Fig.2(a)

圖6為實驗中拍攝的矩形爆轟管出口火焰照片。從圖中可見，在爆轟管出口處，爆轟波退化為主激波從管口排出；隨著主激波繼續(xù)向下游傳播，在主激波后的區(qū)域又形成了第2道激波（二次激波）。圖中清晰地顯示了由于激波而引起的氣流密度的急劇變化，這為前面的數值模擬結果[7]提供了實驗驗證。

圖6 矩形爆轟管出口火焰照片Fig.6 The photo of flame at the exit of the rectangular tube

3 結論

（1）成功進行了以汽油為燃料、以空氣為氧化劑的矩形管兩相脈沖爆轟原理性實驗，所測量的爆轟波壓力接近充分發(fā)展的爆轟波，爆轟管最高工作頻率達到15Hz。

（2）爆轟管內安裝強化湍流的擾流裝置對于爆轟波的形成以及自持傳播具有重要的促進作用，即使已經形成了充分發(fā)展的自持爆轟波，一旦缺少促進火焰加速的擾流裝置，爆轟波將會衰減。

（3）隨著爆轟頻率的增加，液態(tài)燃油的霧化、蒸發(fā)與混合時間相應變短，引起反應不完全及反應速度變慢，導致平均爆轟波峰值壓力逐漸減小。

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