摻混空氣對(duì)旋轉(zhuǎn)爆震主燃燒室起爆性能對(duì)比試驗(yàn)

譚峻然，宮繼雙，鄭少泉，道爾別克·塔布斯

（中山大學(xué)航空航天學(xué)院，廣東 深圳 518000）

0 引言

旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)因其具有單次點(diǎn)火便可實(shí)現(xiàn)持續(xù)爆震燃燒[1-2]和其自增壓特性[3]近年來(lái)在眾多新型推進(jìn)方式上脫穎而出。

20 世紀(jì)50 年代起，各國(guó)便對(duì)旋轉(zhuǎn)爆震作為動(dòng)力來(lái)源的可行性展開(kāi)了研究[4]。俄羅斯的Bykovkii等[5-7]針對(duì)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的可行性，對(duì)多種不同燃料（乙炔、氫氣、丙烷、煤油和汽油等）和各類燃燒室構(gòu)型（擴(kuò)展式、等直軸流式和盤式旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室等）[8-10]展開(kāi)了系統(tǒng)、廣泛地研究；Lim、Kubicki 和Stechmann等[11-13]針對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)比研究了氫氣和甲烷在富氧空氣中的爆震性能；Liu 等[14-16]利用氫氣和空氣進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)爆震波在燃燒室內(nèi)不同的工作模態(tài)（單波模態(tài)、雙波模態(tài)及雙波對(duì)撞模態(tài)等）；Xie等[17-19]則采用富氧空氣和空氣作為氧化劑、氫氣作為燃料開(kāi)展試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室（Rotating Detonation Combustor，RDC）中的聲學(xué)特性對(duì)RDC 中縱向爆燃模態(tài)起到主導(dǎo)作用，并將燃燒狀態(tài)分為快速爆燃、不穩(wěn)定爆震、準(zhǔn)穩(wěn)定爆震和穩(wěn)定爆震，并分析了各狀態(tài)的形成機(jī)制；Zheng 等[20]利用汽油/富氧空氣對(duì)長(zhǎng)度為155～235 mm的燃燒室進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)推力和燃料比沖隨燃燒室長(zhǎng)度增加而緩慢增大；葛高楊等[21]則成功利用713 K 的高溫空氣和常溫汽油實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)爆震。

在上述文獻(xiàn)中多采用活化能較強(qiáng)的燃料或使用氧氣、富氧空氣進(jìn)行試驗(yàn)。而在實(shí)際航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，常常采用穩(wěn)定性較好能量密度較高的液態(tài)煤油和空氣分別作為燃料和氧化劑；但由于液態(tài)煤油活化性較低需要更大的起爆能量，同時(shí)要在極短的時(shí)間內(nèi)完成霧化、蒸發(fā)和摻混，實(shí)現(xiàn)難度較高，目前只進(jìn)行了少數(shù)研究。王致程等[22]通過(guò)常溫煤油和富氧空氣對(duì)不同寬度的環(huán)形燃燒室進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到了穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)爆震模態(tài)，平均傳播速度為1750 m/s，在試驗(yàn)工況內(nèi)，更大的燃燒室寬度利于旋轉(zhuǎn)爆震波的穩(wěn)定傳播；Wolanski 等[23]進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)與直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)匹配研究，使用外部氣源供氣，并嚴(yán)格控制供氣速度與壓縮機(jī)的供氣速度相同，表明氫/空氣混合物下的旋轉(zhuǎn)爆震的效率比原發(fā)動(dòng)機(jī)的提高了5%～7%，但氣態(tài)氫和液態(tài)預(yù)燃煤油的性能較差，在試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，添加氫氣可以提高爆震波傳播的穩(wěn)定性。

目前對(duì)于旋轉(zhuǎn)爆震的研究逐漸由理論研究轉(zhuǎn)向?qū)嶋H工程化研究，已在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)了氣液兩相旋轉(zhuǎn)爆震波的起爆和傳播，但針對(duì)實(shí)際工程化應(yīng)用背景下的氣液兩相旋轉(zhuǎn)爆震研究較少，影響氣液兩相旋轉(zhuǎn)爆震波穩(wěn)定傳播的關(guān)鍵因素和模態(tài)規(guī)律需要進(jìn)一步研究。

本文以渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)主燃燒室為應(yīng)用背景，采用常溫煤油和高溫空氣模擬燃燒室的工況條件，對(duì)液態(tài)燃料旋轉(zhuǎn)爆震波在基于封閉燃燒室和摻混燃燒室內(nèi)的傳播特性和模態(tài)規(guī)律開(kāi)展試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)裝置

1.1 旋轉(zhuǎn)爆震試驗(yàn)系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)爆震試驗(yàn)系統(tǒng)主要分為供給系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、燃燒室模型、排氣系統(tǒng)、采集系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)

供給系統(tǒng)主要分為氣體（空氣、氮?dú)狻⒀鯕?、氫氣）供給和煤油供給。其中，氮?dú)庥糜诳刂圃囼?yàn)平臺(tái)中的氣調(diào)式減壓閥和燃料的供給壓力，為了保證試驗(yàn)中氣源流量穩(wěn)定，氣源均由減壓閥控制供給壓力，由壓力和音速孔板相互配合控制氣體供給流量。煤油采用擠壓式供油，通過(guò)設(shè)計(jì)氣蝕管并標(biāo)定生成擬合曲線，氣蝕管上下游在規(guī)定的壓力區(qū)間內(nèi)，可通過(guò)上游壓力直接計(jì)算出煤油流量。

采用直燃式空氣加熱器，通過(guò)加熱系統(tǒng)模擬燃燒室入口條件；在試驗(yàn)中，通過(guò)調(diào)節(jié)氫氣的流量控制空氣的溫度，在加熱器后補(bǔ)入氧氣保證高溫空氣中氧氣含量與實(shí)際空氣氧含量相同。

試驗(yàn)中使用自研的煤油/氧氣射流點(diǎn)火器進(jìn)行點(diǎn)火。試驗(yàn)系統(tǒng)由西門子s7-200 可編輯邏輯控制器（Programmable logic Controller,PLC）控制，由時(shí)序控制的方式觸發(fā)球閥和電磁閥控制各路供給，如圖2 所示。在試驗(yàn)中提前1 s點(diǎn)燃加熱器保證燃燒室在熱態(tài)工作時(shí)入口溫度保持不變；點(diǎn)火器與煤油同時(shí)供給，其中點(diǎn)火器僅工作1 s 由于點(diǎn)火器可能會(huì)存在延遲，故旋轉(zhuǎn)爆震波是否自持運(yùn)行將通過(guò)時(shí)長(zhǎng)來(lái)判斷，煤油供應(yīng)持續(xù)2 s，如果旋轉(zhuǎn)爆震波持續(xù)超過(guò)1 s 將成功實(shí)現(xiàn)自持運(yùn)行。在試驗(yàn)結(jié)束后空氣將持續(xù)供應(yīng)2 s用于吹除燃燒室內(nèi)剩余燃料。

圖2 試驗(yàn)流程

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

燃燒室簡(jiǎn)化如圖3 所示。燃燒室外徑220 mm，內(nèi)徑140 mm，腔內(nèi)長(zhǎng)度為240 mm，燃燒室喉道寬度為2 mm。試驗(yàn)采用直射式噴嘴，燃油通過(guò)90 個(gè)均勻分布在喉道外壁的0.3 mm 小孔沿徑向射入喉道。試驗(yàn)中采用了3 種燃燒室結(jié)構(gòu)及2 種不同出口結(jié)構(gòu)，分別為封閉燃燒室A（A2、A3面積為0 mm2）和帶摻混結(jié)構(gòu)燃燒室B（A2、A3面積分別為1137 mm2），其中帶摻混結(jié)構(gòu)燃燒室通過(guò)在軸向上距離喉部130 mm處沿周向在燃燒室內(nèi)外壁面均勻設(shè)置多個(gè)小孔實(shí)現(xiàn)燃燒室能摻混空氣的目的。在試驗(yàn)中燃燒室喉道面積A1固定為1137mm2；將采用縮小出口面積的方法模擬燃燒室收縮噴口條件，出口面積A4分別為1（出口面積為5089 mm2）和2（出口面積為2287 mm2）

圖3 燃燒室簡(jiǎn)化

試驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M了某離心式渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室進(jìn)口流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，如圖4 所示；離心式壓氣機(jī)輸出空氣流量為2.6 kg/s，溫度為496 K，平均流速為120 m/s 左右。發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度不超過(guò)1123 K。試驗(yàn)中將通過(guò)改變煤油流量來(lái)控制喉部當(dāng)量比。

圖4 壓氣機(jī)出口模擬段及試驗(yàn)?zāi)Ｐ屠鋺B(tài)流場(chǎng)

1.3 數(shù)據(jù)采集裝置

在燃燒室外壁布置2個(gè)高頻壓力傳感器（113B24）進(jìn)行壓力測(cè)量，為了保證傳感器能穩(wěn)定測(cè)量減少溫漂現(xiàn)象，將傳感器安裝于長(zhǎng)度為60 mm 的水冷套中；傳感器與壁面的距離較小可以采集到爆震波峰值壓力[24]。其中傳感器位置及點(diǎn)火器位置如圖5所示。通過(guò)NI USB 6366數(shù)據(jù)采集模塊記錄高頻響數(shù)據(jù)，采樣頻率可達(dá)2 MHz。出口溫度數(shù)據(jù)由自研的總溫耙使用溫度掃描系統(tǒng)測(cè)量，采樣頻率為100 Hz。

圖5 點(diǎn)火與測(cè)量位置

此外，試驗(yàn)時(shí)還使用高速攝影機(jī)（50k 幀/s，分辨率為384×336）從燃燒室出口軸線處對(duì)燃燒室內(nèi)的火焰形貌進(jìn)行了拍攝。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

將試驗(yàn)中爆震波工作模態(tài)分為：穩(wěn)定爆震模態(tài)（爆震波在燃燒室內(nèi)穩(wěn)定傳播）、不穩(wěn)定爆震工作模態(tài)（爆震波在燃燒室內(nèi)不穩(wěn)定傳播）和過(guò)渡模態(tài)（爆震波在燃燒室內(nèi)從不穩(wěn)定模態(tài)發(fā)展至穩(wěn)定模態(tài)）。

在采用封閉燃燒室時(shí)，先使用了面積為5089 mm2的模擬噴口進(jìn)行了試驗(yàn)。不同工況工作范圍如圖6 所示。在此燃燒室模型（A-1）下可產(chǎn)生爆震波的當(dāng)量比范圍較窄，當(dāng)當(dāng)量比低于0.8時(shí)或高于1.1時(shí)均無(wú)法產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)爆震。在此出口面積下，燃燒室總壓0.2 MPa，燃燒室進(jìn)口壓力為0.41 MPa，低于壓氣機(jī)出口工況，實(shí)現(xiàn)自持燃燒的出口最高溫度達(dá)到了1500 K。為使燃燒室進(jìn)口工況與壓氣機(jī)出口相近，采用2287 mm2出口面積進(jìn)行相同試驗(yàn)（A-2），此時(shí)燃燒室總壓達(dá)到了0.44 MPa，進(jìn)口壓力為0.46 MPa 與模擬工況相同；在縮小出口面積后可爆當(dāng)量比范圍同樣為0.8～1.1，在完全自持燃燒時(shí)出口溫度同樣達(dá)到了1500 K，燃燒室內(nèi)爆震模態(tài)與前者類似。

圖6 不同工況工作范圍

在摻混條件下（B-1）的工作范圍得到了提升，爆震工作下當(dāng)量比范圍為0.8～1.2，并在較高當(dāng)量比下呈現(xiàn)了穩(wěn)定爆震模態(tài)。在爆震波能自持燃燒的情況下，出口最高溫度平均降低了400 K，僅為1100 K。表明在有空氣摻混的條件下，有利于旋轉(zhuǎn)爆震的產(chǎn)生和穩(wěn)定傳播，同時(shí)能有效降低出口燃?xì)鉁囟?。下面?duì)2種不同燃燒室工作情況進(jìn)行詳細(xì)討論。

2.1 封閉燃燒室爆震波分析

當(dāng)控制煤油流量在47 g/s 時(shí)，此時(shí)當(dāng)量比為0.8，高頻壓力傳感器采集到的信號(hào)如圖7 所示。燃燒室內(nèi)爆震波呈現(xiàn)不穩(wěn)定傳播模態(tài)，此時(shí)燃燒室內(nèi)旋轉(zhuǎn)爆震波并未實(shí)現(xiàn)自持傳播，在點(diǎn)火器的作用下僅工作了0.6 s左右。此時(shí)燃燒室內(nèi)爆震波峰值壓力變化較大，最高達(dá)到了0.8 MPa，在中間出現(xiàn)多次爆震波的解耦，此時(shí)壓力峰值較低僅為0.2 MPa左右。在此工況條件下，燃燒室內(nèi)發(fā)生雙波或3波對(duì)撞，同時(shí)伴隨著1個(gè)或2 個(gè)緩燃波，在對(duì)撞后緩燃波和較弱的爆震波會(huì)在短時(shí)間內(nèi)解耦。同時(shí)在重新起爆后多次觀測(cè)到短時(shí)間的雙爆震波同向傳播，但由于燃料得不到及時(shí)的補(bǔ)充并不能維持爆震波穩(wěn)定同向傳播因此發(fā)生了解耦現(xiàn)象。燃料較少導(dǎo)致新鮮混合氣體不能及時(shí)得到補(bǔ)充，爆震波在形成后不能持續(xù)接觸新鮮預(yù)混氣而發(fā)生解耦或衰退為緩燃波；爆震波解耦后的燃燒室內(nèi)由于沒(méi)有或減少了預(yù)混氣的消耗，燃料得到了補(bǔ)充，燃燒室內(nèi)重新起爆產(chǎn)生爆震波并傳播；此時(shí)燃燒室內(nèi)不斷重復(fù)著“起爆-傳播-解耦”的過(guò)程。而當(dāng)點(diǎn)火器停止工作后，不能重新起爆新鮮混合氣導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的熄滅。

圖7 低當(dāng)量比下不穩(wěn)定爆震模態(tài)

當(dāng)提高煤油流量使當(dāng)量比處于0.9～1.1 時(shí)，燃燒室內(nèi)呈現(xiàn)過(guò)渡模態(tài)，最初在點(diǎn)火器的持續(xù)工作下，燃燒室工作初期呈現(xiàn)不穩(wěn)定爆震模態(tài)，燃燒室內(nèi)會(huì)發(fā)生雙波對(duì)撞或3 波混合的情況。封閉燃燒室的過(guò)渡模態(tài)如圖8 所示。旋轉(zhuǎn)爆震波持續(xù)的時(shí)間為1.382 s，成功自持運(yùn)行；PCB傳感器在0.31 s時(shí)檢測(cè)到壓力波動(dòng)，此時(shí)點(diǎn)火器開(kāi)始工作，經(jīng)過(guò)0.17 s 后傳感器檢測(cè)到第1 個(gè)爆震波峰值信號(hào)，此時(shí)燃燒室內(nèi)成功產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)爆震。在熱態(tài)工作前期傳感器測(cè)得最高峰值壓力高于后期峰值壓力，這是由于初期呈現(xiàn)的不穩(wěn)定爆震模態(tài)，當(dāng)爆震波的對(duì)撞點(diǎn)轉(zhuǎn)移至傳感器點(diǎn)位時(shí)，由于爆震波對(duì)撞瞬間產(chǎn)生較大的壓力波動(dòng)，導(dǎo)致對(duì)撞點(diǎn)處壓力峰值會(huì)顯著提升。

圖8 封閉燃燒室的過(guò)渡模態(tài)

3 波對(duì)撞模態(tài)如圖9 所示，為初期不穩(wěn)定狀態(tài)下發(fā)生的3 波對(duì)撞現(xiàn)象。此時(shí)燃燒室內(nèi)存在3 個(gè)爆震波，其中1 號(hào)波沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，2、3 號(hào)波沿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；1 分別會(huì)與2、3 發(fā)生碰撞，圖中0.7305～0.7325 s時(shí)1、2 號(hào)爆震波對(duì)撞點(diǎn)位于ai1 傳感器處，當(dāng)1 與2 對(duì)撞后將持續(xù)傳播，隨后與3 對(duì)撞。由于爆震波波速不同，對(duì)撞點(diǎn)會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移；對(duì)撞點(diǎn)發(fā)生位移時(shí)，ai1 處測(cè)得壓力信號(hào)會(huì)逐漸由單個(gè)高峰分裂為2 個(gè)較高峰，此時(shí)說(shuō)明1、2 對(duì)撞點(diǎn)沿逆時(shí)針發(fā)生移動(dòng)。在對(duì)撞發(fā)生后，會(huì)互相進(jìn)入對(duì)方的燃燒產(chǎn)物區(qū)域，此處可燃混合物得不到及時(shí)的補(bǔ)充爆震波會(huì)在一定程度上衰弱；而在3 波對(duì)撞中，1 號(hào)波在單個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)會(huì)與2、3 分別經(jīng)歷2 次，即一共發(fā)生2×2 次對(duì)撞，在連續(xù)的對(duì)撞中1 號(hào)爆震波強(qiáng)度大幅降低，但由于與另兩波逆向而行，能在對(duì)撞后接觸新鮮可燃?xì)猓虼四茉诙鄠€(gè)周期后持續(xù)傳播。而跟在2 號(hào)爆震波后的波3，一直處于波2 的燃后物質(zhì)內(nèi)接觸的新鮮可燃?xì)廨^少，同時(shí)由于波1 與波2 對(duì)撞后進(jìn)一步侵蝕波3 前的新鮮可燃?xì)?，?由于接觸不到足夠的新鮮可燃?xì)庠?個(gè)周期后逐漸消失；燃燒室隨后變?yōu)殡p波對(duì)撞模態(tài)，3 波對(duì)撞模態(tài)在這個(gè)工況下并不能穩(wěn)定持續(xù)的工作。

圖9 3波對(duì)撞模態(tài)

在點(diǎn)火器作用下的不穩(wěn)定傳播狀態(tài)，會(huì)發(fā)生多波的解耦或緩燃波傳播的現(xiàn)象。如圖10 所示。圖中第0.67 s 時(shí)發(fā)生了雙波對(duì)撞現(xiàn)象，ai1 所測(cè)得的峰值信號(hào)從較低的2 個(gè)變?yōu)檩^高的單個(gè)高峰，意味著1、2號(hào)波對(duì)撞點(diǎn)轉(zhuǎn)移至ai1 傳感器處。但在持續(xù)的對(duì)撞下，1 號(hào)爆震波持續(xù)衰弱并解耦，在第0.673 s 時(shí)燃燒室內(nèi)僅存在單個(gè)2 號(hào)爆震波，而同向上存在的緩燃波逐漸加速耦合形成與2 號(hào)波同向的爆震波，此時(shí)燃燒室內(nèi)呈現(xiàn)雙波同向傳播模態(tài)。但在點(diǎn)火器的作用下此模態(tài)不會(huì)持續(xù)很久，新形成的爆震波會(huì)使燃燒室重新進(jìn)入多波對(duì)撞模態(tài)。在此時(shí)燃燒室內(nèi)會(huì)不斷重復(fù)爆震波的對(duì)撞與穩(wěn)定傳播的轉(zhuǎn)變。

圖10 雙波對(duì)撞向雙波同向轉(zhuǎn)變

雙波對(duì)撞的拍攝畫面如圖11 所示。在此時(shí)的點(diǎn)火器持續(xù)工作中，畫面顯示點(diǎn)火器處呈現(xiàn)較大的火焰。畫面中其中1個(gè)對(duì)撞點(diǎn)位于ai1下方，在第1張圖對(duì)撞時(shí)，對(duì)撞點(diǎn)呈現(xiàn)較亮藍(lán)光，隨后爆震波逆向傳播，各爆震波亮度弱于對(duì)撞時(shí)所產(chǎn)生的光。

圖11 雙波對(duì)撞拍攝畫面

隨著點(diǎn)火器的熄滅，燃燒室內(nèi)呈現(xiàn)雙波同向傳播。同向雙爆震波壓力信號(hào)如圖12 所示。此時(shí)旋轉(zhuǎn)爆震波較為穩(wěn)定，未發(fā)生模態(tài)的轉(zhuǎn)變。此時(shí)的爆震波峰值信號(hào)較為穩(wěn)定，峰值壓力波動(dòng)在0.1 MPa 以內(nèi)。同向雙爆震波FFt 分析如圖13 所示。fft 分析顯示此時(shí)燃燒室內(nèi)爆震波主頻為2487 Hz，由于存在2 個(gè)同向的爆震波，此時(shí)爆震波平均波速為860 m/s。同向雙爆震波拍攝畫面如圖14 所示。圖中所示為單個(gè)爆震波行走半周畫面，2個(gè)圖像相隔3幀畫面；單個(gè)爆震波行走半周約為20 幀，從高速攝影拍攝所算得波速約為860 m/s。在圖14 同向雙爆震波拍攝畫面的時(shí)刻點(diǎn)火器已停止運(yùn)行，但畫面中顯示點(diǎn)火器位置仍有較小火焰射出，這是因?yàn)榇藭r(shí)點(diǎn)火器內(nèi)腔壓未與燃燒室同步略高于燃燒室靜壓，殘留的高溫可燃混合物泄露進(jìn)燃燒室內(nèi)；此時(shí)點(diǎn)火器能量很小不足以點(diǎn)燃燃燒室內(nèi)新鮮可燃物，但殘留的火焰波動(dòng)可幫助判斷爆震波略過(guò)此處。從圖12中可見(jiàn)，豎直向下的火焰在爆震波略過(guò)時(shí)，火焰會(huì)在爆震波的作用下沿逆時(shí)針吹散，當(dāng)爆震波掃過(guò)后火焰會(huì)重新變回豎直向下的形態(tài)。由于沒(méi)有點(diǎn)火器的影響，燃燒室內(nèi)較難產(chǎn)生新的爆震波，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)雙爆震波同向傳播穩(wěn)定運(yùn)行。

圖12 同向雙爆震波壓力信號(hào)

圖13 同向雙爆震波FFt分析

圖14 同向雙爆震波拍攝畫面

2.2 帶摻混結(jié)構(gòu)燃燒室爆震波分析

使用補(bǔ)氣面積為1137.2 mm2的燃燒室B 進(jìn)行試驗(yàn)，控制空氣質(zhì)量流量2.6 kg/s保持不變，通過(guò)控制煤油流量改變發(fā)動(dòng)機(jī)頭部當(dāng)量比。此時(shí)燃燒室喉部空氣流量為0.86 kg/s，摻混空氣總量約為1.74 kg/s。

當(dāng)控制煤油流量為66 g/s 時(shí)，此時(shí)摻混燃燒室頭部當(dāng)量比為1.1。燃燒室內(nèi)呈現(xiàn)穩(wěn)定3 波同向傳播，其壓力信號(hào)如圖15 所示。此時(shí)爆震波的峰值壓力波動(dòng)較低僅在0.1 MPa之內(nèi)，呈穩(wěn)定傳播模態(tài)；起爆初期在點(diǎn)火器的作用下，很快便進(jìn)入3 波穩(wěn)定傳播模態(tài)，說(shuō)明有空氣摻混的條件下有利與燃燒室旋轉(zhuǎn)爆震波穩(wěn)定傳播。3 波穩(wěn)態(tài)下的fft 分析如圖16 所示。此時(shí)燃燒室內(nèi)主頻為4274 Hz，根據(jù)主頻測(cè)得單個(gè)爆震波波速約為983 m/s。同向3 波高速攝影圖片如圖17 所示。此時(shí)點(diǎn)火器已完全沒(méi)有火焰，需要通過(guò)爆震波旋轉(zhuǎn)傳播時(shí)的亮光進(jìn)行判斷；可以看到3 個(gè)爆震波相互距離較為平均，約為120°；單個(gè)爆震波傳播一周所需幀數(shù)為36 幀，換算為速度967 m/s。在較高當(dāng)量比下?lián)交烊紵覂?nèi)旋轉(zhuǎn)爆震波較為穩(wěn)定。

圖15 3波同向傳播壓力信號(hào)

圖17 同向3波高速攝影圖片

降低煤油流量至53 g/s 時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)頭部當(dāng)量比為0.87，燃燒室內(nèi)貧油運(yùn)行，此時(shí)燃燒室內(nèi)進(jìn)入不穩(wěn)定工作模態(tài)（如圖18 所示），旋轉(zhuǎn)爆震波僅運(yùn)行了0.6 s，傳感器在1.5 s 時(shí)已經(jīng)檢測(cè)到點(diǎn)火器壓力波動(dòng)，但難以形成旋轉(zhuǎn)爆震，0.8 s后才成功起爆形成多波傳播。5 爆震波fft 分析如圖19 所示。燃燒室內(nèi)旋轉(zhuǎn)爆震波主頻較高，為5997 Hz。傳感器壓力信號(hào)如圖20所示。此時(shí)燃燒室內(nèi)呈5 波同向運(yùn)行，但此時(shí)的爆震波波速較低僅為828 m/s；并且爆震波并不能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定傳播，其中5 個(gè)爆震波壓力峰值差距較大，最高壓差達(dá)到了0.2 MPa；由于燃燒室內(nèi)波頭較多而喉道處處于貧油狀態(tài)，新鮮混合氣不足以支撐多個(gè)波頭以較強(qiáng)的形態(tài)運(yùn)行，導(dǎo)致在每個(gè)傳播周期中均存在弱爆震波。在維持一段時(shí)間多波穩(wěn)定運(yùn)行后，新鮮混合氣嚴(yán)重不足，爆震波強(qiáng)度降低但未解耦；等混合氣重新補(bǔ)充后爆震波再一次以較強(qiáng)形態(tài)在燃燒室同向傳播。最后由于煤油的停止供應(yīng)，爆震波強(qiáng)度慢慢降低最后解耦，燃燒室停止工作。

圖18 封閉燃燒室不穩(wěn)定工作模態(tài)

圖19 5爆震波fft分析

圖20 5波同向壓力信號(hào)

摻混燃燒室內(nèi)，爆震波以多波頭的形式穩(wěn)定傳播，模態(tài)轉(zhuǎn)變僅在最初起爆時(shí)發(fā)生，并在極短時(shí)間內(nèi)完成向穩(wěn)定多波傳播的轉(zhuǎn)變。

擁有摻混結(jié)構(gòu)的燃燒室能拓寬燃燒室的工作范圍，當(dāng)量比范圍從0.8～1.0 提升至0.8～1.2。這可能是由于摻混結(jié)構(gòu)的引入，空氣從燃燒室后部徑向射入，對(duì)燃燒室內(nèi)軸向噴射的氣流產(chǎn)生了擾動(dòng)，有些許空氣從補(bǔ)氣孔倒流回燃燒室前端參與到爆震波的燃燒當(dāng)中，從而提高了燃燒室的工作范圍，使不改變?nèi)紵仪岸私Y(jié)構(gòu)的情況下能使燃燒室富油運(yùn)行。

3 結(jié)論

（1）在工作范圍內(nèi)隨著當(dāng)量比的提高，封閉燃燒室出現(xiàn)了不穩(wěn)定爆震模態(tài)和穩(wěn)定雙波同向傳播模態(tài)。

（2）在工況范圍內(nèi)，帶摻混結(jié)構(gòu)燃燒室在低頭部當(dāng)量比下出現(xiàn)了不穩(wěn)定5 波爆震模態(tài)，在較高頭部當(dāng)量比下呈現(xiàn)穩(wěn)定3波同向傳播模態(tài)。

（3）摻混結(jié)構(gòu)燃燒室在不改變?nèi)紵倚阅艿那疤嵯拢岣吡巳紵倚D(zhuǎn)爆震波傳播的穩(wěn)定性。

（4）摻混結(jié)構(gòu)燃燒室產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)爆震的當(dāng)量比范圍比封閉燃燒室的寬，為0.8～1.2；同時(shí)在試驗(yàn)范圍內(nèi)燃燒室引入摻混空氣平均能使出口溫度降低400 K左右。