氫燃料緩燃向爆震轉捩過程中波與火焰的匹配特性*

張彭崗，何小民

(1.江蘇大學能源與動力工程學院，江蘇 鎮江212013;2.南京航空航天大學能源與動力學院，江蘇 南京210016)

氫氣是用于爆震研究最多也是最易起爆的一種燃料，實驗研究氫燃料的爆震主要是在爆震管和氫發動機中進行。爆震管主要以脈沖爆震發動機為研究背景，希望盡可能降低緩燃向爆震轉捩(DDT)的時間和距離以獲得爆震。而氫發動機中為了提高發動機的效率，則要盡可能避免產生爆震。但從爆震的形成機理上看，兩者有相似之處，都存在DDT 過程。在爆震管內進行波和火焰相互作用的研究大都以DDT 整個過程為研究對象。P.A.Urtiew 等［1］利用紋影技術對DDT 過程作了詳細觀察，認為加速運動的層流火焰前產生的壓縮波合并形成激波;激波誘導氣體二次運動使層流火焰轉變為湍流火焰;湍流火焰區內的某處產生爆震。文獻［2］中利用激光誘導熒光(PLIF)用于自由基(如OH)的熒光成像技術討論了波與火焰速度之間的關系，結果表明火焰和壓縮波之間的距離先增大后減小;從過爆衰減到C-J爆震模式的階段中，波與火焰的速度交替變化，最后激波始終處于火焰前面。T.R.Meyer 等［3］研究發現爆震中心出現在壁面和促進擾流的彈簧上，足夠強的微爆炸或多個爆炸的相互作用通常會導致DDT 的發生。氫發動機爆震燃燒的研究［4-7］更多的關注于爆震信號診斷、爆震控制的方法上，以及氫發動機運行條件對爆震產生的影響等，但對爆震形成的內在機理研究不多。而DDT 轉捩局部壓力波和火焰的變化更復雜和劇烈，對于爆震形成過程中壓力波和火焰之間相互作用的機理并不完全清楚，如能了解此階段壓力波和火焰相互匹配特性的變化規律，將對理解爆震波的形成具有重要意義。

本文中，在爆震管內利用拍攝速度為50 000 s－1的相機拍攝的圖片，結合DDT 轉捩部位放置的壓力傳感器和離子探針分別測量的壓力波和火焰信號，研究DDT 過程中壓力波和火焰匹配特性的變化規律，為深入理解爆震波形成過程提供新的思路，也為氫發動機爆震的研究提供參考。

1 實驗設備及研究參數

圖1 實驗系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

實驗系統包括氣源、爆震管、充氣與循環系統、點火系統和測量系統等，如圖1 所示。氣源為氫氣，余氣因數α=1.0。爆震管內氣體參數為常壓、常溫(p=0.101 MPa，T=301 K)。爆震管一端剛性密封，出口端用厚0.5 mm 的膜片密封。爆震管內裝有8 片堵塞比為0.3 的方形環狀“回”型擾流片，間距δ=120，240 mm，起始位置距剛性封閉端180 mm。擾流片、壓力傳感器的具體安裝位置及拍攝部位(圖1中兩粗實線之間)如圖1 所示。PCB 高頻壓力傳感器(113A22，頻響500 kHz)起始安裝位置隨爆震管內狀態的變化而有所差異。壓力傳感器按間距50 mm 分布在爆震管上，其中第1 個壓力傳感器距離封閉端800 mm，用P1 表示，依次類推，第7 個傳感器用P7 表示。壓力傳感器信號由NI 公司NIPXI21042Q采集系統記錄，該系統共有16 個并行通道，每通道頻響為2.5 MHz。另外，為了同時監控火焰信號的變化，在爆震管上布置自行研制的離子探針［8］及采集系統，其中第1 個離子探針距離封閉端750 mm，用ib1 表示，依次類推，第8 個離子探針用ib8 表示，離子探針和壓力傳感器同截面放置。爆震管側面加工了一個長1 400 mm、寬60 mm 的槽，上面蓋有5 mm 厚的聚碳酸脂板(透光性好，耐壓10 MPa 以上)，起始位置距封閉端40 mm。高速攝影機選用柯達Redlake 公司的HG100K 型號(最高速度為105s－1)。點火位置距剛性封閉端60 mm。實驗系統照片見文獻［9］。

實驗時首先用真空泵將爆震管抽成真空，然后分別充入空氣和燃料，通過真空表的讀數(分壓力)確定兩者的流量。充氣結束后，開啟循環泵使燃料和空氣達到均勻混合狀態，最后點火起爆。所有測試儀器的觸發信號都與點火信號同步，即按下點火按鈕的同時開始工作或記錄數據。

2 研究結果及分析

針對相同狀態參數的混氣重復進行兩次拍攝，實驗結果表明爆震管內壓力波和火焰的發展規律類似，主要差別是爆震起爆位置(或DDT 距離)不同。下面的討論選擇其中一種實驗結果進行。

2.1 數據處理方法

圖2 為壓力傳感器P1 ～P7 的壓力時序圖，從圖中可知，壓力波經過P1 ～P7 的過程中，峰值從0.5 MPa 上升到7.14 MPa，到達P7 時壓力為2.76 MPa，管內已產生穩定的爆震波，表明爆震管在P1 ～P7 之間的局部區域內完成了緩燃向爆震的轉捩，本文中主要針對這個局部區域內壓力波和火焰相互之間的匹配特性進行分析。壓力波傳播速度計算方法:按照特定距離(50 mm)下不同壓力傳感器獲得的壓力突躍點的時間差進行計算。

圖3 為DDT 高速攝影圖，都以點火時刻為計時零點。火焰達到時刻取值方法為:圖3(m)中出現白色亮帶區域，代表爆震管內出現過爆，此時對應位置P5 處壓力峰值的觸發時刻為482 788 μs，以過爆壓力峰值處的時刻為標準，將482 788 μs 作為圖3(m)的拍攝時刻。而每幅圖的時間間隔為20 μs，以圖3(m)的數據為依據，向上每減小20 μs 即為上幅圖片對應的時刻，向下每增加20 μs 為下一幅圖片對應的時刻。然后計算每幅圖上火焰峰面到封閉端的距離，便可以知道火焰峰面隨時間的移動距離，從而求出火焰傳播速度。其中圖3(p)中火焰峰面已超出拍攝范圍，火焰面移動位置取值以圖3(a)～(o)為準。在圖中標出了7 個壓力傳感器所處的具體位置。另外，緩燃階段火焰很弱，處理時把每幅圖的對比度和亮度進行調整，以便顯示火焰鋒面位置。

圖2 壓力傳感器時序圖Fig.2 History of pressure transducers

2.2 波與火焰強度匹配特性

波的強度指壓力波峰值躍升的時間長短和峰值壓力的大小，如圖2 所示。火焰的強度主要指燃燒強度，表現為圖3 中圖片亮度的不同及圖4 中信號線觸發時刻不同和觸發強度的變化。

從圖2 中可知，壓力傳感器從P1 的0.5 MPa 上升到P4 位置的1.5 MPa，壓力波峰值逐漸上升同時躍升時間逐漸縮短，說明在此區間管內處于緩燃階段，但壓力波強度在逐漸增大。和P1 ～P4 位置對應的離子探針位置為ib2 ～ib5，由圖4 可知，此區域內離子探針的信號非常混亂，沒有依照安裝順序依次觸發，ib1 ～ib5 的觸發順序依次為ib2、ib5、ib4、ib3、ib1，且觸發曲線呈緩慢升高趨勢，同時反映在圖3(a)～(j)中的亮度逐漸加強，說明火焰的燃燒強度也在逐漸增大。離子探針信號的紊亂反映出緩燃階段時火焰強度比較小，主要是由于:(1)氫氣本身所含的原子數比較少，相對于其他多原子氣體來說，燃燒時產生的帶電離子比較少;(2)在緩燃階段時燃燒不完全，氫氣在發生化學反應時釋放出的帶電離子濃度比較低且分布不均勻;(3)從以往的研究中也發現，由于離子探針自身存在著一些缺陷如積碳或探針間距的變化，使火焰信號觸發受到離子濃度的制約。

從圖3(k)中可以看到，靠近壁面處出現白色亮點，對應圖5 中位置P5 處壓力從482 733 μs 開始出現躍升，表明熱點出現，壓力進一步增強。隨后熱點沿擾流片向管道中間迅速擴散，經過40 μs 隨即在圖3(m)中出現白色亮帶，相應地圖5 中經過40 μs 到482 773 μs 時壓力又一次開始躍升，到482 788 μs 時躍升至最大值7.14 MPa，代表管內出現過爆。隨后爆震波開始衰減，壓力波峰值從位置P6的5.35 MPa 降到位置P7 的2.76 MPa，此時圖3(n)～(p)的亮度開始變暗。在此過程中離子探針觸發順序為ib6、ib7、ib8，各曲線上升時間比較短。這說明在距離封閉端d=1 000 mm 后管內產生爆震波后，管內燃燒強度急劇增加。產生過爆或爆震時化學反應很劇烈，燃燒時釋放的離子濃度比較高，使得爆震區域內的離子探針能及時觸發。隨著回傳爆震波向上游傳播，靠近爆震管封閉端的離子探針才被觸發。由于DDT 過程中壓力波和火焰是正反饋的相互作用過程，因此壓力波和火焰的強度也呈現出是相互正反饋的匹配過程:燃燒強度弱時，壓力波強度也弱;燃燒強度急劇增加時，壓力波強度同時加強。

2.3 波與火焰速度匹配特性

圖6 為壓力波和火焰速度圖，從圖中可以看出，在點火經過大約482 600 μs 時，壓縮波速度從點火時的音速(約300 m/s)增加到約800 m/s 左右，而火焰速度增加緩慢，從最初的幾十米每秒增加到300 m/s 左右，因此導致壓縮波和火焰之間的距離逐漸增大。隨著火焰的傳播，在482 600 ～482 660 μs 間，壓縮波開始疊加形成激波達到C-J 爆燃速度(約900 m/s)，火焰的速度增幅(300 ～1 200 m/s)大于激波速度的增幅(約100 m/s)，使火焰的速度高于激波速度。在擾流器內部，擾流片會同時增加火焰湍流強度和激波的強度，使火焰和激波同時加速，但影響火焰速度增幅的因素相對多些:(1)來自擾流片的反射激波對火焰產生擾動作用，增加了Rayleigh-Taylor 面的不穩定性，從而進一步增大了燃燒速率;(2)擾流片誘導的大尺度湍流與壁面邊界層誘導的小尺度湍流結合在一起，提高了火焰的燃燒速率［10］;(3)火焰燃燒強度和湍流強度增強致使火焰的長度變大，同時火焰在沿著擾流片傳播時會受到擾動，誘導當地溫度和壓力的升高。另外激波的能量高于壓縮波，當激波傳播時也會提高當地未燃混氣的溫度和壓力，這些因素均導致火焰速度增幅變大，激波和火焰的距離開始變小。

圖3 DDT 過程高速攝影圖Fig.3 High-speed imagings of DDT process

482 660 μs 后火焰持續向下游傳播，火焰強度和速度的同時增大進一步增強了激波的強度。當一定強度的激波運動到482 748 μs 時(見圖3(k))，強激波誘導下在壁面附近出現熱點(爆轟中心)。在482 748 ～482 788 μs 之間，由于爆轟中心的出現，激波速度進一步增大，同時熱點迅速向管道中間擴散，火焰速度也進一步增大，此時火焰和激波的速度基本上同步增加。在482 788 μs 時，管內出現過爆，這主要由于激波和火焰的相互正反饋機理，激波的強度足以使未燃混氣產生自燃，反應區內激波掃過未燃區后呈現多點燃燒的火焰刷(見圖3(m))，火焰刷內燃燒的不連續可能造成火焰的速度達到2 250 m/s，大于C-J 速度。同時火焰刷內壓力的波動使壓力波速度達到2 380 m/s，大于火焰速度和C-J 速度。482 800 μs 后，當燃燒產生的能量不足以維持高速激波的運動時，過爆開始衰減，隨后激波和火焰以相同的速度傳播，激波和火焰耦合在一起形成穩定的爆震波。在DDT 過程中，壓力波和火焰速度大小相互交替進行，最后都等于C-J 速度，這與文獻［2］的結果類似。

圖4 離子探針時序圖Fig.4 History of ionization probes

圖5 位置P5 壓力時序圖Fig.5 History of position P5

圖6 波和火焰速度圖Fig.6 Time evolution of velocity of wave and flame

2.4 波與火焰位置匹配特性

圖7 壓力波和火焰位置隨時間變化曲線圖Fig.7 Time evolution of position of wave and flame

從圖2 ～3 分別得出了壓力波和火焰到達不同位置的時刻，反過來可以知道不同時刻壓力波和火焰在爆震管內所處的位置，如圖7 所示。由圖7 可以看出:2 條曲線都呈現出上升的趨勢，表示隨著時間的推移，壓力波和火焰沿著爆震管在不斷推進。曲線在上升過程中，相同的時刻壓力波在爆震管中的位置要大于火焰所處的位置，表明壓力波一直位于火焰的前面。但壓力波曲線的斜率大于火焰曲線斜率，正如2.3 節的分析表明，火焰速度的增幅大于激波速度的增幅，火焰一直在追趕壓力波，逐漸縮小了與壓力波的距離。隨著時間的發展，2 條曲線相交，相交時刻為482 762 μs，對應位置距封閉端1 027 mm，表示在1 027 mm 位置處火焰趕上壓力波。由圖5 可知，過爆壓力觸發的起始時刻為482 773 μs，說明火焰在趕上壓力波后僅過了11 μs 爆震管內便開始形成過爆，出現了多點燃燒的區域性爆炸，處于過爆區的位置P5 處的過爆壓力則是由于多點爆炸燃燒產生的局部壓力升高引起的，而并非壓力波的壓力。

圖7 所示過爆發生時火焰臨時處于壓力波前面，壓力波曲線和火焰曲線呈現出短暫的平行發展，原因可能有:(1)局部區域性爆炸引起的過爆在極短時間和較小空間內釋放出巨大的能量，推動火焰面向前運動。局部空間內劇烈燃燒的某些微小火焰團可能會“飛濺”出正在衰減的多點燃燒區，越過火焰面，先行點燃激波前面的未燃混氣而發生化學反應，隨后火焰面前沿形成的激波才傳過來;(2)壓力波和火焰的變化非常劇烈，尤其是火焰面的形狀極其復雜，發展的火焰面極度彎曲。離子探針和壓力傳感器雖然同截面放置，但爆震波面不是同時到達同一截面，最先到達的爆震波面可能先觸發離子探針;(3)在過爆燃燒的時間內，燃燒峰面還沒有匯集形成強激波，隨著過爆的衰減，才會有強激波出現。可以設想，隨著過爆的衰減，燃燒波前面開始出現強激波，表現在圖7 中為壓力波曲線將再次與火焰曲線相交。當穩定爆震波出現時，激波會一直位于火焰的前面，2 條曲線將會同步發展，只是在相同時刻壓力波曲線對應的位置會略高于火焰曲線所對應的位置。

3 結 論

(1)DDT 過程中壓力波和火焰相互作用的正反饋性質決定了彼此之間強度匹配的正反饋特性;

(2)DDT 過程中壓力波和火焰的速度表現為交替變化的匹配特性，由于緩燃過程中火焰速度的增幅大于壓力波速度的增幅，決定了壓力波和火焰的位置特性:火焰面和壓力波的距離逐漸縮小，當火焰追趕上激波產生過爆時，火焰暫時位于激波前面。在過爆衰減直至形成穩定爆震波的過程中，雖然火焰和壓力波的速度在不斷變化，但強激波掃過后混氣發生自燃使激波和火焰面耦合在一起，激波位于火焰面前沿。

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