無閥式脈沖爆震火箭發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

譚風(fēng)光,王可,于瀟棟,王云,李清安,范瑋

1. 西北工業(yè)大學(xué) 動(dòng)力與能源學(xué)院, 西安 710072 2. 西北工業(yè)大學(xué) 陜西省航空動(dòng)力系統(tǒng)熱科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710129

爆震波可看作一道帶化學(xué)反應(yīng)的激波,激波壓縮導(dǎo)致的溫度和壓力突躍,觸發(fā)了可燃混合物中的化學(xué)反應(yīng)。與緩燃燃燒相比,爆震燃燒具有釋熱速率快、自增壓的特點(diǎn),基于爆震燃燒的動(dòng)力裝置具有熱循環(huán)效率高、結(jié)構(gòu)簡單等潛在優(yōu)點(diǎn),有望成為未來高超聲速飛行器的可行動(dòng)力形式[1]。近二三十年以來,眾多學(xué)者致力于將這種燃燒方式應(yīng)用于推進(jìn)系統(tǒng),以進(jìn)一步提高推進(jìn)系統(tǒng)的性能[2-3]。目前,研究比較廣泛的基于爆震燃燒的動(dòng)力形式主要包括脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)[4](Pulse Detonation Engine,PDE)和旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)[5-6](Rotating Detonation Engine,RDE),二者均可分別以吸氣式和火箭式兩種模式工作。經(jīng)過多年研究,人們對PDE的具體工作過程和性能影響因素有了較為深入的理解,取得了一系列進(jìn)展。截至目前,已有多位學(xué)者發(fā)表了相關(guān)研究綜述[7-10]。按照是否攜帶氧化劑,PDE可分為脈沖爆震火箭發(fā)動(dòng)機(jī)[11](Pulse Detonation Rocket Engine,PDRE)和吸氣式脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)(Air-breathing Pulse Detonation Engine,APDE)。

PDE需在爆震管內(nèi)周期性產(chǎn)生爆震波,爆震燃燒后的高溫高壓產(chǎn)物快速排出時(shí)產(chǎn)生推力,它的性能與工作頻率緊密相關(guān)。傳統(tǒng)觀念下,為獲得高頻穩(wěn)定的爆震波,需要有相應(yīng)的措施控制爆震管內(nèi)燃料、氧化劑和隔離介質(zhì)的間歇式填充。其中,應(yīng)用最廣泛的控制方式,主要包括有閥式[12-13]、半無閥式[14](混合式)和無閥式[15](即氣動(dòng)閥式)3種。有閥模式主要使用響應(yīng)頻率較高的機(jī)械閥門,如高頻電磁閥[16]或者旋轉(zhuǎn)閥[17],來精確控制燃料、氧化劑和隔離介質(zhì)的填充。然而,高頻電磁閥,尤其是通徑較大的閥門,響應(yīng)頻率的上限一般低于50 Hz[18],限制了PDE運(yùn)行頻率的提升。旋轉(zhuǎn)閥的運(yùn)行頻率較高[17, 19],但容易出現(xiàn)泄漏等問題,且旋轉(zhuǎn)閥的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)較笨重,系統(tǒng)復(fù)雜。與有閥式相比,無閥式工作主要利用爆震管內(nèi)周期性的壓力振蕩,在爆震管封閉端形成氣動(dòng)閥,實(shí)現(xiàn)燃料、氧化劑和隔離介質(zhì)的間歇供應(yīng)[20-21]。由于缺少機(jī)械閥門的控制,高效隔離對無閥模式的穩(wěn)定運(yùn)行尤為關(guān)鍵。Valaev等[22]最早提出通過在供給通道加裝冷卻裝置,將回流進(jìn)入的高溫產(chǎn)物冷卻后作為隔離介質(zhì),防止新鮮混合物與殘留的高溫產(chǎn)物接觸而提前點(diǎn)火,從而實(shí)現(xiàn)無閥模式的穩(wěn)定運(yùn)行。使用氮?dú)獾榷栊詺怏w作為隔離介質(zhì)雖可實(shí)現(xiàn)有效隔離[23],但惰性介質(zhì)不參與燃燒反應(yīng),增加了無謂載荷的同時(shí),供應(yīng)系統(tǒng)亦變得復(fù)雜。利用液態(tài)燃料的蒸發(fā)冷卻爆震燃燒產(chǎn)物來實(shí)現(xiàn)隔離,也是一種有效的隔離手段[20]。由于不需要復(fù)雜的作動(dòng)部件,該工作方式結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)節(jié)方便,運(yùn)行頻率的上限大幅提高。但在氧化劑活性較高時(shí),該模式很容易出現(xiàn)連續(xù)燃燒,而太低時(shí)又難以獲得充分發(fā)展的爆震波[24]。半無閥式綜合了無閥式和有閥式的優(yōu)點(diǎn),利用高頻閥門對燃料的供給進(jìn)行精確控制,從而可以實(shí)現(xiàn)較高頻率的穩(wěn)定運(yùn)行。Matsuoka等[14-15]設(shè)計(jì)了直徑為10 mm的半無閥式PDRE,使用超臨界乙烯為燃料,成功將工作頻率提高到1 916 Hz,這是目前公開報(bào)道的最高運(yùn)行頻率,證明了實(shí)現(xiàn)PDE千赫茲頻率的運(yùn)行是可行的。然而,未來以空天飛機(jī)為代表的高超聲速飛行器面臨苛刻的冷卻需求[25],而飛行器自身攜帶的液態(tài)燃料是重要的冷源。另外,若不采取有效冷卻,爆震管在長時(shí)間運(yùn)行后壁面溫度一方面會(huì)超過材料的耐溫極限,另一方面熾熱的管壁會(huì)形成不穩(wěn)定的點(diǎn)火源,造成反應(yīng)物提前著火,導(dǎo)致爆震波產(chǎn)生失效[26],故需要利用燃料對爆震管進(jìn)行冷卻降溫[27]。因此,燃料在噴注進(jìn)入爆震管前已經(jīng)部分或者全部汽化,體積也會(huì)相應(yīng)膨脹。對于流量較大的發(fā)動(dòng)機(jī),由于大通徑的耐高溫電磁閥工作頻率較低,故有閥式和半無閥式將難以實(shí)現(xiàn)高頻運(yùn)行。無閥模式不需要機(jī)械閥門控制,更適合大流量的應(yīng)用需求。因此,研究適用于大流量的無閥運(yùn)行模式,特別是基于氣態(tài)燃料的無閥運(yùn)行模式,有著重要的潛在價(jià)值。

由于缺少專門的隔離過程,無閥無隔離模式在高頻長時(shí)間運(yùn)行時(shí),很容易出現(xiàn)連續(xù)燃燒等運(yùn)行不穩(wěn)定現(xiàn)象。影響運(yùn)行不穩(wěn)定的因素有很多,其中高溫壁面的影響較早得到關(guān)注[28]。作者團(tuán)隊(duì)[29]的研究表明,長時(shí)間運(yùn)行后爆震管壁面會(huì)達(dá)到一個(gè)平衡溫度,而且這個(gè)平衡溫度與運(yùn)行頻率有直接的關(guān)系。壁面溫度的升高有助于縮短爆震管內(nèi)緩燃轉(zhuǎn)爆震的距離[30],但當(dāng)爆震管溫度高于可爆混合物的自燃溫度時(shí),也容易導(dǎo)致可爆混合物的提前點(diǎn)火問題[28]。范育新等[27]通過在爆震管外壁面加裝換熱器,利用液態(tài)燃料的汽化吸熱特性,在降低爆震管壁面溫度的同時(shí),改善了霧化效果,提高了推進(jìn)性能。王可等[26]研究了爆震管封閉端結(jié)構(gòu)、壁面溫度等因素對運(yùn)行穩(wěn)定性的影響,發(fā)現(xiàn)爆震管封閉端的回流區(qū)對運(yùn)行頻率上限有較大的影響。Matsuoka等[14]研究發(fā)現(xiàn)隔離介質(zhì)的填充時(shí)長大于10%爆震循環(huán)周期時(shí),可有效避免提前點(diǎn)火現(xiàn)象的出現(xiàn)?？梢钥闯?影響PDE穩(wěn)定運(yùn)行的因素較多,而且各因素之間相互關(guān)聯(lián),需要更進(jìn)一步探索。

綜上所述,已有研究圍繞影響PDE穩(wěn)定運(yùn)行的多種因素進(jìn)行了探索,但鮮見供給條件對無閥模式運(yùn)行穩(wěn)定性的影響方面的研究。無閥模式下,回爆波在爆震管封閉端附近造成的周期性壓力振蕩,必然會(huì)對供給通道內(nèi)的氣體流動(dòng)造成影響,導(dǎo)致供給不穩(wěn)定。在使用氧化劑作為隔離介質(zhì),且燃料和氧化劑均采用無閥供給模式時(shí),這種影響更為顯著。供給的不穩(wěn)定也必然會(huì)使隔離介質(zhì)填充時(shí)長、封閉端回流區(qū)發(fā)生不穩(wěn)定的變化,增加連續(xù)燃燒現(xiàn)象發(fā)生的幾率。此外,氧化劑中的氧氣體積分?jǐn)?shù)是重要的供給條件之一,對PDE的穩(wěn)定運(yùn)行有重要影響。為探索適用于大流量的無閥無隔離工作方式,以氣態(tài)乙烯為燃料、富氧空氣為氧化劑,研究氧化劑中的氧氣體積分?jǐn)?shù)和供給通道內(nèi)氣體流動(dòng)的振蕩對運(yùn)行穩(wěn)定性的影響。該研究有助于加深對無閥式PDE工作穩(wěn)定性的認(rèn)識(shí),為長時(shí)間的高頻穩(wěn)定運(yùn)行提供支撐。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及工作原理

1.1 爆震管結(jié)構(gòu)

爆震管內(nèi)徑為24 mm,總長度為670 mm,沿填充進(jìn)氣的流動(dòng)方向可分為點(diǎn)火段、緩燃轉(zhuǎn)爆震(Deflagration to Detonation Transition,DDT)段、爆震傳播段?；鸹ㄈ嚯x爆震管封閉端75 mm,各部件具體尺寸如圖1所示,其中,點(diǎn)火段長度為120 mm、DDT段為230 mm、爆震傳播段為320 mm。為了避免高溫造成的破壞,影響起爆效果,DDT段采用半圓形內(nèi)凹槽的增強(qiáng)結(jié)構(gòu),凹槽半徑為6 mm,螺距為15 mm。由火花塞點(diǎn)火形成的緩燃波經(jīng)過安裝了擾流結(jié)構(gòu)的DDT段后轉(zhuǎn)變?yōu)楸鸩?并經(jīng)過爆震傳播段向出口傳播。壓電式壓力傳感器(SINOCERA CY-YD205)具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,為實(shí)時(shí)獲取爆震管內(nèi)的壓力變化,在爆震管DDT段安裝3個(gè)壓電式壓力傳感器,爆震傳播段安裝4個(gè)壓電式壓力傳感器,相鄰壓力傳感器之間的距離為70 mm。

圖1 爆震管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of detonation tube

1.2 供給和測量系統(tǒng)

以乙烯為燃料,富氧空氣為氧化劑,富氧空氣為用氮?dú)庀♂尩难鯕?。氧化劑由公共氣源供給,燃料采用一個(gè)容積為40 L的氣瓶供給。為研究氧氣濃度對無閥模式運(yùn)行穩(wěn)定性的影響,實(shí)驗(yàn)中采用了氧氣體積分?jǐn)?shù)為別為66%、50%和40%的3種不同氧氣濃度的氧化劑。燃料的供給壓力根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要分別設(shè)定為0.4 MPa和0.6 MPa,氧化劑的供給壓力則由實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)按照實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行調(diào)節(jié),從而在爆震管中形成不同當(dāng)量比的可爆混合物。燃料和氧化劑的供給溫度為305 K,與實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度相同。火花塞的點(diǎn)火頻率和管路上的閥門開啟/關(guān)閉由同一個(gè)控制器進(jìn)行控制,確保介質(zhì)供給和點(diǎn)火時(shí)序按照預(yù)定方案運(yùn)行,運(yùn)行時(shí)序如圖2所示,圖中T為運(yùn)行周期。其中,緩沖區(qū)的填充時(shí)長隨實(shí)驗(yàn)過程中氧化劑和燃料供給壓力的不同而變化,文獻(xiàn)[14, 31]對此進(jìn)行了詳細(xì)的研究。燃料和氧化劑輸送管路上安裝有測量誤差在±1%以內(nèi)的流量計(jì),用于實(shí)時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)過程中的介質(zhì)流量。流量計(jì)和壓力傳感器測量的數(shù)據(jù)經(jīng)高速數(shù)據(jù)采集儀(DEWETRON 3020)采集并記錄在磁盤中,采集儀的采樣頻率為 200 kHz。

圖2 供給和點(diǎn)火時(shí)序圖Fig.2 Time sequence of supplies and ignition

1.3 無閥式工作原理

無閥式PDRE的工作循環(huán)過程如圖3所示。設(shè)定的氧化劑供給壓力高于燃料,且兩者均低于爆震管內(nèi)的平臺(tái)區(qū)壓力。平臺(tái)區(qū)壓力是指在爆震波經(jīng)過之后和膨脹波到來之前爆震管封閉端附近的壓力,膨脹波到來之后管內(nèi)壓力逐漸降低,直至略高于外界環(huán)境壓力。實(shí)驗(yàn)開始時(shí),供給通道中的截止閥打開,氧化劑和燃料開始填充,并在爆震管內(nèi)形成可爆混合物。當(dāng)爆震管內(nèi)填充足量的可爆混合物后,控制系統(tǒng)向位于爆震管封閉端的火花塞發(fā)送點(diǎn)火脈沖信號(hào),火花塞產(chǎn)生電火花,點(diǎn)燃爆震管中的可爆混合物。形成的火焰不斷向爆震管開口端傳播,并在DDT段內(nèi)爆震增強(qiáng)裝置的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)楸鸩?。在爆震波起始的同時(shí),會(huì)產(chǎn)生一個(gè)回爆波向爆震管封閉端傳播?；乇▊髦帘鸸芊忾]端后,爆震管封閉端壓力增高。當(dāng)壓力高于供給壓力時(shí)介質(zhì)填充徹底受阻,填充過程結(jié)束。由于爆震管內(nèi)的平臺(tái)區(qū)壓力高于供給壓力,供給通道中的燃料和氧化劑被推向供給通道上游。當(dāng)爆震波傳出爆震管出口時(shí),產(chǎn)生的膨脹波由開口端向封閉端傳播,爆震管內(nèi)的壓力也隨之下降。當(dāng)爆震管內(nèi)的壓力下降至供給壓力以下時(shí),填充過程恢復(fù)。由于氧化劑的供給壓力高于燃料,氧化劑比燃料更早地進(jìn)入爆震管,并形成一個(gè)燃料含量極低的富氧緩沖區(qū)將高溫的已燃?xì)怏w與新鮮可爆混合物隔離。當(dāng)爆震管內(nèi)的壓力進(jìn)一步下降至燃料供給壓力以下時(shí),燃料開始由供給通道進(jìn)入爆震管,并與氧化劑在爆震管內(nèi)混合后形成可爆混合物,進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),爆震頻率與點(diǎn)火頻率一致,實(shí)驗(yàn)過程中通過控制火花塞的點(diǎn)火頻率來控制運(yùn)行頻率。

圖3 運(yùn)行順序示意圖Fig.3 Schematic of operation sequence

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同頻率下的運(yùn)行情況

當(dāng)運(yùn)行頻率為30 Hz,使用氧氣體積分?jǐn)?shù)分別為40%、50%和66%的3種不同氧化劑時(shí),p1、p2和p3所測得的壓力波形如圖4所示?？梢钥闯?該頻率下,氧化劑和燃料均采用無閥模式供給時(shí),氧化劑的氧化性對穩(wěn)定運(yùn)行并沒有太大影響,都可以獲得較穩(wěn)定的爆震波。爆震波形成的判定,可通過對比理想爆震波的C-J參數(shù)與實(shí)驗(yàn)所測得的爆震波參數(shù)進(jìn)行,這一方法在相關(guān)研究中廣泛采用[14, 26]。爆震波的C-J理論值可由NASA CEA程序計(jì)算得到。爆震管上各壓力傳感器之間的距離已知,根據(jù)爆震波經(jīng)過相鄰壓力傳感器所用的時(shí)間,即可計(jì)算出壓力峰值的移動(dòng)速度。圖5為爆震波在爆震管內(nèi)傳播時(shí),壓力傳感器所測到的管內(nèi)壓力變化情況。為了顯示清晰,僅給出了多循環(huán)運(yùn)行過程中單個(gè)爆震波經(jīng)過壓力傳感器p1、p3、p5和p7時(shí)所測得的壓力曲線。由于理論爆震波的壓力和傳播速度分別為2.28 MPa和2 009.7 m/s,而之后爆震波峰值壓力和波速分別大于3.5 MPa和2 000 m/s,可認(rèn)為爆震波生成于p1和p2之間。

定義單個(gè)循環(huán)周期內(nèi)填充到爆震管的混合物體積和爆震管容積之比為填充度。當(dāng)填充的可爆混合物體積大于爆震管容積時(shí),爆震管為過填充,即填充度大于1；相應(yīng)地,當(dāng)填充的可爆混合物體積小于爆震管容積時(shí)為部分填充,即填充度小于1。影響PDE長時(shí)間運(yùn)行穩(wěn)定性的因素比較多,如爆震管壁面溫度、爆震管結(jié)構(gòu)和填充度等。不同因素之間相互影響,最終決定了發(fā)動(dòng)機(jī)工作的穩(wěn)定性和推進(jìn)性能。填充度是影響爆震管穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素之一。研究表明[24],部分填充可在一定程度上提高比沖,且流量一定時(shí)隨著工作頻率提高,填充度不斷下降,實(shí)際工作過程中可能出現(xiàn)部分填充。過填充則會(huì)造成推進(jìn)劑的浪費(fèi),須竭力避免。因此,實(shí)際工作時(shí)需考慮供給條件和推進(jìn)性能的平衡,部分填充和剛好滿填充均可能出現(xiàn)。一味提高頻率而忽略填充度,當(dāng)填充度過低時(shí),會(huì)造成爆震波無法成功起爆,影響爆震波的強(qiáng)度及其傳播的穩(wěn)定性[32],這一點(diǎn)須在設(shè)計(jì)時(shí)考慮。實(shí)驗(yàn)中,通過安裝在管路上的流量計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測到燃料和氧化劑的供給流量。在采用乙烯為燃料,氧氣體積分?jǐn)?shù)為50%的富氧空氣為氧化劑,燃料的供給壓力分別設(shè)定為0.4 MPa和0.6 MPa,相應(yīng)的氧化劑供給壓力分別為0.55 MPa和1.0 MPa 時(shí),填充度隨運(yùn)行頻率的變化曲線如圖6所示?？梢钥闯?實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行測試范圍可覆蓋過填充到部分填充狀態(tài)的運(yùn)行工況。

圖4 運(yùn)行頻率為30 Hz時(shí)不同氧氣體積分?jǐn)?shù)下的壓力波形Fig.4 Pressure profiles under different oxygen volume fractions at operating frequency of 30 Hz

圖5 單個(gè)循環(huán)中壓力曲線放大圖Fig.5 Enlargement of pressure profiles during one cycle

進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)運(yùn)行頻率在5～150 Hz之間時(shí),爆震管中均可獲得充分發(fā)展的爆震波。圖7為穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)測得的壓力波形。可以看出,在5～55 Hz之間運(yùn)行時(shí)運(yùn)行頻率與點(diǎn)火頻率一致,而且均能獲得比較穩(wěn)定的爆震波。然而,當(dāng)點(diǎn)火頻率大于55 Hz時(shí),成功產(chǎn)生爆震波的幾率會(huì)隨著運(yùn)行頻率的升高逐漸下降；在大于150 Hz 時(shí),基本無法獲得穩(wěn)定的高頻爆震波。圖8 為在點(diǎn)火頻率為60、150和160 Hz時(shí)測得的壓力波形,虛線圈出的部分為沒有形成充分發(fā)展爆震波的位置。從圖中可以看出,在頻率為150 Hz時(shí),運(yùn)行不穩(wěn)定出現(xiàn)的次數(shù)明顯高于60 Hz,而當(dāng)點(diǎn)火頻率為160 Hz時(shí),基本無法獲得較連續(xù)的爆震波。結(jié)合圖6可以看出,在設(shè)定的供給壓力下,運(yùn)行頻率分別大于76 Hz和122 Hz時(shí)才會(huì)出現(xiàn)部分填充,即填充度小于1,遠(yuǎn)大于出現(xiàn)運(yùn)行不穩(wěn)定現(xiàn)象時(shí)55 Hz的臨界運(yùn)行頻率,所以運(yùn)行不穩(wěn)定的出現(xiàn)受填充度的影響較小。總體上來說,基于無閥無隔離模式,可實(shí)現(xiàn)從過填充到部分填充狀態(tài)的有效隔離,但高頻工作時(shí)更易發(fā)生運(yùn)行不穩(wěn)定,其中的運(yùn)行不穩(wěn)定問題將在下文中進(jìn)行更進(jìn)一步分析。

圖6 填充度隨運(yùn)行頻率的變化曲線Fig.6 Fill fractions as function of operating frequency

圖7 穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)在不同點(diǎn)火頻率下的壓力分布Fig.7 Pressure profiles in steady operation at different ignition frequencies

圖8 不穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)在不同點(diǎn)火頻率下的壓力分布Fig.8 Pressure profiles in unsteady operation at different ignition frequencies

2.2 氧氣體積分?jǐn)?shù)對運(yùn)行穩(wěn)定性的影響

在2.1節(jié)中提到,以無閥無隔離模式工作時(shí),在運(yùn)行頻率較高時(shí)會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行不穩(wěn)定現(xiàn)象。仔細(xì)分析各壓力傳感器所測得的壓力波形可以看出,不穩(wěn)定現(xiàn)象主要可分為3種類型：連續(xù)燃燒(緩燃)、脈動(dòng)緩燃和點(diǎn)火失敗,圖9為相應(yīng)工況下在運(yùn)行頻率為30 Hz時(shí)所測得的壓力變化曲線。圖9(a) 為連續(xù)燃燒時(shí)所測得的壓力曲線,可以看出,當(dāng)連續(xù)燃燒現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí),壓力傳感器所測得的數(shù)據(jù)表現(xiàn)為與點(diǎn)火頻率無關(guān)的無規(guī)律小幅脈動(dòng)。圖9(b)為在爆震管中獲得充分發(fā)展的爆震波時(shí)所測得的壓力曲線,壓力脈動(dòng)頻率與點(diǎn)火頻率一致。圖9右上的小圖為多循環(huán)運(yùn)行時(shí)單個(gè)爆震循環(huán)的壓力曲線放大圖,可以看出,當(dāng)爆震波到達(dá)時(shí)壓力上升迅速,在0.01 ms內(nèi)即可達(dá)到壓力波峰。圖9(c) 為脈動(dòng)燃燒時(shí)所測得的壓力曲線,壓力脈動(dòng)頻率與點(diǎn)火頻率一致,但爆震管內(nèi)沒有獲得充分發(fā)展的爆震波。圖9右下的小圖為脈動(dòng)燃燒現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)單個(gè)脈動(dòng)循環(huán)的壓力曲線放大圖,可以看出,相對于爆震循環(huán),當(dāng)燃燒波到達(dá)時(shí)壓力上升相對較慢,超過了0.015 ms才達(dá)到壓力波峰。爆震波與緩燃波還可結(jié)合其在爆震管內(nèi)的傳播速度進(jìn)行分辨,緩燃波的傳播速度遠(yuǎn)低于爆震波,該方法在2.1 節(jié)中有詳細(xì)的描述。圖9(d)為點(diǎn)火失敗時(shí)所測得的壓力曲線,此時(shí)從壓力曲線中基本無法觀察到與點(diǎn)火頻率相關(guān)的明顯周期性波動(dòng)。運(yùn)行不穩(wěn)定現(xiàn)象還可以通過爆震管的尾焰羽流來判斷[31]。

圖9 不同燃燒模態(tài)下測得的壓力曲線Fig.9 Pressure profiles in different combustion modes

有研究表明[20, 24],氧化劑活性對運(yùn)行不穩(wěn)定現(xiàn)象有較大影響。為了研究氧氣濃度對無閥模式的具體影響,采用氧氣體積分?jǐn)?shù)分別為40%、50%和66%的富氧空氣作為氧化劑開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。燃料的供給壓力設(shè)定為0.4 MPa,氧化劑的供給壓力則由實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)按照實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行調(diào)節(jié),從而在爆震管中形成不同當(dāng)量比的可爆混合物。結(jié)果表明,可爆混合物的當(dāng)量比處于一定范圍內(nèi)時(shí),才能獲得穩(wěn)定的爆震波。共觀察到3種運(yùn)行模式：連續(xù)燃燒、穩(wěn)定爆震和不穩(wěn)定燃燒。連續(xù)燃燒是指混合物始終以緩燃的形式燃燒；穩(wěn)定爆震,是指在每次循環(huán)中都能獲得充分發(fā)展的爆震波；不穩(wěn)定燃燒主要表現(xiàn)為脈動(dòng)緩燃和點(diǎn)火失敗。脈動(dòng)緩燃是指每個(gè)循環(huán)中都實(shí)現(xiàn)了有效隔離,但在絕大多數(shù)循環(huán)中只形成脈動(dòng)的緩燃燃燒,并未形成充分發(fā)展的爆震波,爆震波形成的判斷依據(jù)如2.1節(jié)所述。繼續(xù)降低可爆混合物的當(dāng)量比,則出現(xiàn)可爆混合物無法點(diǎn)燃的情況。不同氧氣體積分?jǐn)?shù)的富氧空氣,可以穩(wěn)定運(yùn)行的當(dāng)量比范圍匯總?cè)鐖D10所示。從圖中可以看出,連續(xù)燃燒現(xiàn)象主要出現(xiàn)在當(dāng)量比過高的時(shí)候；而當(dāng)量比過低則容易出現(xiàn)爆震波無法充分發(fā)展的現(xiàn)象。當(dāng)量比較高時(shí),新鮮混合物的點(diǎn)火延遲時(shí)間較短,與殘留的高溫產(chǎn)物接觸后容易被點(diǎn)燃,發(fā)生連續(xù)燃燒。當(dāng)量比較低時(shí),可爆混合物的點(diǎn)火延遲時(shí)間較長、可爆性較低,難以形成充分發(fā)展的爆震波。此外,當(dāng)量比較低時(shí),化學(xué)反應(yīng)釋熱少,散熱條件變化不大,故火焰很容易被吹熄,但仍然可以實(shí)現(xiàn)有效隔離,形成脈動(dòng)燃燒。在脈動(dòng)燃燒現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí),繼續(xù)降低可爆混合物當(dāng)量比,則混合物將無法點(diǎn)燃。相反,當(dāng)量比較高時(shí)可爆混合物容易被點(diǎn)燃,一旦出現(xiàn)隔離失效,爆震管內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)連續(xù)燃燒現(xiàn)象。

從圖10中還可以看出,由氧氣體積分?jǐn)?shù)不同的氧化劑形成的混合物,可獲得穩(wěn)定爆震波的當(dāng)量比范圍也有差異。采用氧氣體積分?jǐn)?shù)分別為40%、50%和66%的氧化劑時(shí),可獲得穩(wěn)定爆震波的當(dāng)量比范圍分別為1.2～1.7、0.8～2.0和0.8～2.3。氧化劑的氧氣體積分?jǐn)?shù)較高時(shí)形成的混合物,可獲得穩(wěn)定爆震的當(dāng)量比范圍較寬。這是因?yàn)?無閥模式利用氧化劑和燃料進(jìn)入爆震管的時(shí)間差形成燃料含量較低的富氧隔離區(qū)來防止高溫產(chǎn)物提前引燃填充的可爆混合物。氧氣體積分?jǐn)?shù)較高時(shí),燃料燃燒完全,隔離區(qū)中基本不存在燃料的殘留,隔離效果更好,有效降低了連續(xù)燃燒現(xiàn)象出現(xiàn)的幾率,故可爆混合物的當(dāng)量比上限較高。在當(dāng)量比相同時(shí),使用氧氣體積分?jǐn)?shù)較高的氧化劑可以獲得活性更高的可爆混合物,故低當(dāng)量比時(shí)也能獲得充分發(fā)展的爆震波,可爆混合物當(dāng)量比下限得以拓寬。此外,爆震管的壁面溫度升高對應(yīng)于爆震管內(nèi)反應(yīng)物的散熱條件變差,同樣會(huì)影響可爆混合物的當(dāng)量比范圍。采用氧氣體積分?jǐn)?shù)為50%的氧化劑,在爆震管壁面溫度較高的條件下進(jìn)行了當(dāng)量比范圍測試。爆震管壁面溫度升高后,混合物的可爆當(dāng)量比范圍為0.4～0.9,出現(xiàn)了整體向低當(dāng)量比遷移的現(xiàn)象。表明壁面溫度升高,有助于可爆混合物的起爆,但應(yīng)避免壁面溫度過高導(dǎo)致的連續(xù)燃燒。

圖10 不同工況下的燃燒模式Fig.10 Combustion modes under different operating conditions

2.3 供給通道中的流動(dòng)振蕩

多循環(huán)爆震時(shí),爆震管內(nèi)產(chǎn)生周期性的壓力振蕩。壓力擾動(dòng)沿供給通道向上游傳播,會(huì)對供給通道內(nèi)的流動(dòng)形成干擾,并表現(xiàn)為通道內(nèi)氣體流量的波動(dòng)。通過研究供給通道內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)波動(dòng)情況,可為剖析運(yùn)行的不穩(wěn)定問題提供重要參考和判斷依據(jù)。本節(jié)采用氧氣體積分?jǐn)?shù)為50%的氧化劑、乙烯為燃料,燃料和氧化劑的供給流量分別為28.2 g/s和4.3 g/s。圖11為運(yùn)行頻率為5 Hz時(shí)燃料通路和氧化劑通路的流量計(jì)所記錄的流量變化和壓力傳感器測得的爆震管內(nèi)的壓力波動(dòng)?？梢钥闯?在運(yùn)行頻率為5 Hz時(shí),燃料通道和氧化劑通道的流量有明顯波動(dòng),且波動(dòng)頻率與運(yùn)行頻率一致。流量的每次下降都出現(xiàn)在管內(nèi)爆震波形成、壓力短暫上升之后；當(dāng)管內(nèi)壓力下降至供給壓力以下時(shí),供給逐漸恢復(fù)到穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)。說明在運(yùn)行頻率較低時(shí),燃料和氧化劑的填充可以被氣動(dòng)閥門切斷,有利于在封閉端附近形成有效的隔離區(qū),這也是無閥無隔離模式得以實(shí)現(xiàn)的前提和保證。

利用流量計(jì)測得的數(shù)據(jù),對供給通道內(nèi)氣體的流動(dòng)振蕩進(jìn)行頻譜分析,可進(jìn)一步加深對運(yùn)行不穩(wěn)定問題的認(rèn)識(shí)。圖12為點(diǎn)火頻率為5 Hz時(shí),對運(yùn)行過程中的流量數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換所得的頻譜圖。可以看出,供給通道內(nèi)介質(zhì)的振蕩頻率與運(yùn)行頻率有關(guān),且與運(yùn)行頻率呈倍數(shù)關(guān)系。回爆波向供給通道上游的回傳,必然會(huì)對供給通道中的流動(dòng)形成擾動(dòng)。振蕩波在供給通道內(nèi)以當(dāng)?shù)芈曀賯鞑?在遇到彎道、接頭等部件時(shí)會(huì)形成反射波,多個(gè)回爆波在供給通道內(nèi)反復(fù)反射和疊加,使供給通道內(nèi)最終形成了若干倍于運(yùn)行頻率的振蕩譜。

圖11 運(yùn)行頻率為5 Hz時(shí)的壓力波形和流量Fig.11 Pressure profile and mass flow rates at operating frequency of 5 Hz

圖12 工作頻率為5 Hz時(shí)流量的頻譜分析Fig.12 Spectrum analysis of mass flow rates at operating frequency of 5 Hz

提高運(yùn)行頻率時(shí),由于單個(gè)循環(huán)周期的時(shí)間縮短,供給通道內(nèi)的振蕩波開始出現(xiàn)相互影響,出現(xiàn)了入射波與反射波的疊加。圖13為運(yùn)行頻率為30 Hz時(shí)供給通道內(nèi)流量的波動(dòng)與爆震管內(nèi)壓力波動(dòng)的曲線?？梢钥闯?燃料通路在某些循環(huán)中會(huì)出現(xiàn)流量波動(dòng)明顯高于其他循環(huán)的情況。流量的波動(dòng)使后面循環(huán)的爆震波強(qiáng)度發(fā)生一定變化,但回爆波強(qiáng)度的變化對供給通道中介質(zhì)流量的波動(dòng)影響不大。圖中標(biāo)注的3個(gè)回爆波壓力較高的循環(huán)中,爆震波峰值壓力較平均值大1.0 MPa 左右,但并沒有造成燃料供給通道內(nèi)流量不穩(wěn)定波動(dòng)的增加。第2個(gè)流量波動(dòng)波峰出現(xiàn)之前的幾個(gè)循環(huán)中,壓力傳感器所測得的爆震管內(nèi)壓力也沒有出現(xiàn)明顯變化。供給通道中流動(dòng)的不穩(wěn)定影響爆震波的強(qiáng)度,但爆震管的運(yùn)行仍然比較連續(xù),沒有出現(xiàn)運(yùn)行不穩(wěn)定的問題。流動(dòng)不穩(wěn)定主要存在于每個(gè)循環(huán)填充過程的初期。在運(yùn)行頻率為30 Hz時(shí),結(jié)合圖6也可以看出爆震管處于過填充狀態(tài),填充度仍然大于1,每個(gè)循環(huán)中的填充時(shí)間相對較長,即使出現(xiàn)燃料流動(dòng)波動(dòng)或者爆震波強(qiáng)度發(fā)生變化的情況,燃料和氧化劑的填充流動(dòng)也可以重新恢復(fù)穩(wěn)定,不會(huì)對下一個(gè)循環(huán)點(diǎn)火前爆震管內(nèi)可爆混合物的成分造成明顯的影響。

圖13 運(yùn)行頻率為30 Hz時(shí)壓力和流量變化Fig.13 Pressure profile and mass flow rates at operating frequency of 30 Hz

提高運(yùn)行頻率至30 Hz時(shí),供給通道內(nèi)的流動(dòng)振蕩依然存在,但振蕩的高頻部分會(huì)逐漸減弱直至消失。圖14為運(yùn)行頻率30 Hz時(shí)供給通道內(nèi)的流動(dòng)振蕩頻譜,可以看出,高頻部分只有60 Hz 的信號(hào),且信號(hào)強(qiáng)度非常微弱,其他更高頻率的信號(hào)已經(jīng)衰減消失。由于供給通道較長,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,精確的理論分析非常困難。然而,根據(jù)聲學(xué)原理,供給通道內(nèi)的介質(zhì)為非理想介質(zhì),振蕩波在傳播過程中必然存在摩擦阻尼,造成振蕩波的熱損耗和能量衰減。供給通道的直徑越細(xì),振蕩波的頻率越高,由黏滯產(chǎn)生的衰減效應(yīng)就越顯著,振蕩波隨傳播距離衰減得越快。所以,在運(yùn)行頻率較高時(shí),振蕩波的高頻部分衰減消失。此外,供給通道中存在的閥門等結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部件,難免存在一些旁支通道。振蕩波在旁支通道中分流,并與主流形成共振回路[33-34]。當(dāng)這些共振回路發(fā)生共振時(shí),振蕩波向供給通道上游的傳播被阻斷,使流量計(jì)位置處流動(dòng)振蕩的高頻部分消失,這一現(xiàn)象在氧化劑供給通道中表現(xiàn)得更為明顯。氧化劑由公共氣源供給,相對于燃料供給通道,氧化劑供給通道較長且附件較多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,所以管道內(nèi)介質(zhì)的振蕩衰減更為明顯。從圖13和圖14可以看到,運(yùn)行頻率為30 Hz時(shí),氧化劑供給通道的流動(dòng)振蕩非常微弱。

進(jìn)一步提高運(yùn)行頻率后,填充時(shí)間縮短,供給通道內(nèi)的流動(dòng)無法再次恢復(fù)到穩(wěn)定水平。圖15是燃料和氧化劑的供給流量平均為47.87 g/s和4.82 g/s,運(yùn)行頻率為150 Hz時(shí)供給通道內(nèi)流量與爆震管內(nèi)壓力波形圖,圖16是供給通道內(nèi)介質(zhì)流量頻譜分析結(jié)果?？梢钥闯?運(yùn)行頻率為150 Hz 時(shí)已經(jīng)基本無法觀察到流量波動(dòng)的周期性,供給通道內(nèi)的振蕩頻率也主要表現(xiàn)為低頻無規(guī)則振蕩,與運(yùn)行頻率沒有直接關(guān)聯(lián)。結(jié)合2.2節(jié)的分析可知,當(dāng)可爆混合物當(dāng)量比超過穩(wěn)定運(yùn)行的合理范圍時(shí),容易造成點(diǎn)火失敗或者連續(xù)燃燒。結(jié)合圖6可知,運(yùn)行頻率為150 Hz時(shí)爆震管處于部分填充狀態(tài)。當(dāng)燃料和氧化劑供給出現(xiàn)擾動(dòng)或者爆震波強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí),燃料和氧化劑的填充較難恢復(fù)穩(wěn)定,會(huì)對下一個(gè)循環(huán)點(diǎn)火前爆震管內(nèi)可爆混合物的當(dāng)量比造成明顯的影響,使單個(gè)周期內(nèi)混合物的當(dāng)量比超出可穩(wěn)定運(yùn)行的范圍,造成連續(xù)燃燒或者點(diǎn)火不成功。

圖14 工作頻率為30 Hz時(shí)流量的頻譜分析Fig.14 Spectrum analysis of mass flow rates at operating frequency of 30 Hz

圖15 運(yùn)行頻率為150 Hz時(shí)壓力和流量變化Fig.15 Pressure profile and mass flow rates at operating frequency of 150 Hz

圖16 工作頻率為150 Hz時(shí)流量的頻譜分析Fig.16 Spectrum analysis of mass flow rates at operating frequency of 150 Hz

此外,閥門等存在旁支通道的管道附件與主流形成共振回路,共振聚集的聲波能量轉(zhuǎn)移至低頻部分,使低頻振蕩的幅度明顯增加。從圖15可以看出,運(yùn)行頻率為150 Hz時(shí)的流量波動(dòng)最大可達(dá)6 g/s,明顯高于運(yùn)行頻率為30 Hz和5 Hz時(shí)的流量波動(dòng)。劇烈的流量波動(dòng)容易導(dǎo)致可爆混合物當(dāng)量比超出可穩(wěn)定運(yùn)行的范圍,造成運(yùn)行不穩(wěn)定。可爆混合物當(dāng)量比的變化,會(huì)影響爆震波和回爆波的強(qiáng)度,回爆波強(qiáng)度的改變進(jìn)一步加劇了供給通道中供給流量的不穩(wěn)定。因此,在供給通道中加裝壓力反傳抑制裝置,對無閥PDE的穩(wěn)定運(yùn)行具有積極意義。通過抑制供給通道內(nèi)的無規(guī)律流動(dòng)振蕩,改善供給條件,可提高發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

本研究基于氣態(tài)燃料和無閥無隔離工作方式,研究了氧化劑的氧氣體積分?jǐn)?shù)和工作頻率對PDRE運(yùn)行穩(wěn)定性的影響,并分析了供給通道內(nèi)的流動(dòng)振蕩與運(yùn)行穩(wěn)定性的關(guān)聯(lián),得到以下結(jié)論：

1) 利用單個(gè)循環(huán)周期內(nèi)氧化劑和燃料進(jìn)入爆震管的時(shí)間差在爆震管封閉端形成燃料含量較低的富氧隔離區(qū),可實(shí)現(xiàn)新鮮混合物和高溫燃燒產(chǎn)物的有效隔離,為獲得高頻爆震波提供了一種基于氣態(tài)燃料的無閥無隔離工作方式。

2) 采用氧氣體積分?jǐn)?shù)較高的氧化劑時(shí),可獲得穩(wěn)定爆震波的當(dāng)量比范圍較寬,例如,氧氣體積分?jǐn)?shù)為40%的氧化劑,當(dāng)量比范圍為1.2～1.7,而氧氣體積分?jǐn)?shù)為66%的氧化劑當(dāng)量比范圍可達(dá)0.8～2.3。

3) 爆震管內(nèi)產(chǎn)生的回爆波向供給通道上游傳播,并與反射波在通道內(nèi)相互疊加,會(huì)造成通道內(nèi)的流動(dòng)振蕩,影響介質(zhì)的穩(wěn)定供給；當(dāng)爆震管運(yùn)行頻率較高時(shí),流動(dòng)振蕩干擾穩(wěn)定運(yùn)行。

4) 在運(yùn)行頻率較低時(shí),爆震管運(yùn)行較穩(wěn)定,供給通道內(nèi)的流動(dòng)振蕩頻率與運(yùn)行頻率一致,并且存在與運(yùn)行頻率呈倍數(shù)關(guān)系的高頻振蕩；隨著運(yùn)行頻率的提高,振蕩的高頻部分會(huì)逐漸減弱消失；現(xiàn)有供給條件下,繼續(xù)提高爆震管運(yùn)行頻率,運(yùn)行將出現(xiàn)不穩(wěn)定,供給通道內(nèi)的流動(dòng)振蕩表現(xiàn)為無規(guī)律的低頻振蕩。