微尺度爆震燃燒研究進展

2016-06-23 13:02:51何建男

實驗流體力學 2016年1期

何建男，范瑋

(西北工業大學動力與能源學院，西安 710072)

微尺度爆震燃燒研究進展

何建男，范瑋*

(西北工業大學動力與能源學院，西安 710072)

微尺度爆震燃燒(Microscale Detonation)是基于微燃燒(Microscale Combustion)和微動力機電系統(Power MEMS)提出來的新研究方向。目的是為了把爆震燃燒這一高效的燃燒方式應用于微動力領域，以解決人們對小型、高性能動力的需求。幾十年來，人們雖然在爆震燃燒的研究中涉及了一些與微爆震相關的內容，但是對其機理的了解仍然十分不足。本文從微爆震基本概念出發，對其現象、成因、影響因素及需要解決的問題等方面進行綜述，總結了目前國內外重要的研究成果，為今后進一步的探索提供參考。

微尺度爆震；微尺度燃燒；微動力機電系統；近極限爆震；微推進器

0 引言

燃燒作為一種釋放能量的氧化反應，一直都在被人類研究和利用著。進入21世紀，隨著人口的增加和科技的發展，人們對能源和動力的需求不斷擴大。雖然現在已有多種獲取能量的途徑，但是碳氫燃料的燃燒依然是最主要的來源。與此同時，隨著環境污染、能源緊缺、利用率低、成本增加等問題的出現，人們亟需研制出高性能、高能量密度、輕便耐用的能源動力系統。

在動力研究領域，提高系統性能的方法一般有如下幾種：一是選擇高能能量源；一是提高能量轉化率和利用率；一是系統小型化。圖1對比了鋰電池與碳氫燃料和其它不同發動機的單位能量密度[1]，可以看出鋰電池的能量密度非常低。有文獻表明，目前最先進的鋰電池能量密度僅有0.2 kWh/kg[2, 3]，是天然氣的1/60，這也是碳氫燃料被廣泛利用的重要原因。另一方面，圖1也顯示了微型發動機對于鋰電池的較大優勢(其能量密度是鋰電池的6～8倍)。動力系統小型化的優勢在于，它能大幅減少系統部件的數量和重量，進而提升性能?；诖耍陙?，國內外涌現了大量關于微動力機電系統(Power Micro Electro Mechanical Systems，簡稱Power MEMS)的研究[4-6]，包括微型燃燒器[7-8]、微型燃氣輪機[9-11]、微型推力器[12-14]、微型燃料電池[15-17]、微型熱光電系統[18-20]等等，這些新型動力源的出現證明了系統小型化的可行性和潛在價值，Chigier[21]甚至認為微型燃燒器可以達到10kWh/kg的能量密度。

圖1 鋰電池與碳氫燃料和其它不同發動機的單位能量密度對比[1]

Fig.1 Comparison of specific energy densities of lithium ion batteries with hydrocarbon fuels as well as different engines[1]

盡管如此，基于微尺度燃燒的微動力機電系統研究依然面臨很大挑戰，其中需要解決的關鍵問題是如何提高能量轉化率和利用率，具體而言，就是提高燃燒效率、熱循環效率以及減少能量損失。目前，絕大多數微動力系統都是基于穩態、爆燃燃燒方式，熱循環效率不高；隨著體積減小，面容比增大，熱損失將增加；而且，有些系統內部的機械部件也會增加能量損失。因此，很多研究者都從減少系統運動部件、添加催化劑、制造新材料等方面改進和提升微動力系統的性能。除此之外，人們也可以從改進燃燒模式本身入手來解決這一問題。

眾所周知，爆震燃燒是一種以較低的熵增實現極快化學反應的過程。通常情況下，爆震波能以較低的點火能量起始，經過爆燃向爆震的轉變(Deflagration to Detonation Transition，簡稱DDT[22])，使燃燒波與激波耦合，達到“自增壓”的效果，同時釋放巨大的能量。這一特性可以省去傳統發動機的增壓部件。從理論上講，基于爆震燃燒的脈沖爆震發動機(Pulse Detonation Engine，簡稱PDE)有近似等容循環的效率，比常規發動機的等壓循環熱效率高[23]。

可以看出，爆震燃燒的優勢幾乎滿足所有微動力系統的需求，如果將二者結合，很可能成為一個極具價值的研究領域。盡管“微尺度爆震燃燒”(Microscale Detonation Combustion)這一概念在國內外并沒有被正式提出，關于微爆震動力裝置的研究更是少之又少，但是與其密切相關的基礎研究,比如近極限爆震、火焰在小尺度管內的燃燒和傳播、DDT形成、邊界條件和爆震穩定性等內容，已被許多學者深入探索過。本文的目的是對近年來與微尺度爆震(以下簡稱微爆震)有關的文獻進行綜述，總結人們對其相關機理的闡述，指出其研究價值、需要解決的問題和研究前景等。為了更好地對比分析，其中也會涉及中、大尺度爆震/爆燃燃燒的內容。

1 微爆震尺度的界定及燃燒理論的適用性

一直以來，人們對燃燒尺度的界定都沒有統一、嚴格的標準。不同研究者從各自角度出發定義的微尺度(Microscale)，中尺度/介觀尺度(Mesoscale)和大尺度(Macroscale)，其范圍多有重合。Ju總結了3種定義尺度范圍的方法[1]，第1種是按照燃燒器的實際尺寸劃分：如果小于1 mm，稱為“微尺度”，如果大于1 mm且小于1 cm，則稱為“中尺度”，這種定義常用于微型發動機領域[2]；第2種是用火焰的熄火直徑定義：如果燃燒器的尺寸小于/大于熄火直徑，則稱其為“微尺度”/“中尺度”，這種定義常用于微燃燒的機理研究中，但不足之處在于，火焰的熄火直徑常與燃料的種類和壁面條件等因素有關，這給尺度的定量區分帶來了困難；第3種是將所研究的燃燒器與常規同種類、同用途的大尺度燃燒器作對比，以“相對于”后者的大小作出定義。比如，微型衛星的燃燒器尺寸相對于常規衛星的而言可以稱為“微小”，但它的實際尺寸不一定“小”[24]。這種定義常用于某種特定用途的推力器。

對于爆震燃燒尺度的界定，本文同樣參考以上方法。從機理上來說，爆震波的起始、傳播和熄火尺寸與其胞格尺寸和工況有關[22, 25]，一般是10-1～102mm量級[26]。從工程應用上來說，一個微爆震燃燒器的內徑大概在1～10 mm量級(常規PDE的內徑定義為幾十毫米[27])。因此，綜合來看，微爆震的尺度在零點幾到幾毫米之間較為合適，中尺度爆震在十幾毫米以上，而大尺度爆震則為幾十毫米以上[28]，甚至不受空間、尺寸限制[25]。

有些學者擔心尺寸的減小會使傳統流體力學理論的連續性假設不適用于微尺度燃燒[29]，因為如果氣體的平均分子自由程與流場的特征長度之比——克努森數(Knudsen Number)變大，流場近壁面的擴散輸運會變得不均衡，稀薄氣體效應會變得明顯。除此之外，燃燒產生的高溫或壓力的降低也會增加平均分子自由程，進而增大克努森數[6]。但是Li等人[30]對此的研究證明，該影響十分小，也就是說，傳統的流體和燃燒理論仍然適用于微尺度燃燒領域[6, 31]，而根據上文對微爆震尺度的定義，可知該尺度也是遠大于平均分子自由程的，因此連續性假設同樣適用于微爆震。

2 微尺度下的爆震燃燒現象和分類

自從爆震現象被發現以來，出現了很多對爆震的命名，比如C-J爆震(Chapman-Jouguet Detonation)、低速爆震(Low-velocity Detonation)、螺旋爆震(Spinning Detonation)、馳震爆震(Galloping Detonation)、結巴爆震(Stuttering Detonation)等；除此之外，也有很多與爆震相關的火焰形式，如慢速/高速爆燃(Slow/Fast Deflagration)、振蕩火焰(Oscillating Flame)、熄火(Quenching Flame)等。這些名稱有的基于燃燒現象命名(如振蕩火焰)，有的基于爆震波/爆燃波速度命名(如低速爆震、慢速/高速爆燃等)，有的基于爆震強度、穩定性命名(如C-J爆震等)，甚至有的命名含義模糊，容易混淆。造成這種結果的原因是由于爆震燃燒的復雜性，研究者很難從單一角度對其進行明確的定義和分類。在大多數研究近極限爆震的文獻里，常見以下幾種對爆震現象的劃分：

從速度上來看，燃燒波只有爆燃(Deflagration)和爆震(Detonation)2大類[22, 25]，前者相對于反應物以較低的亞聲速傳播，后者則是一道超聲速的燃燒波。在某些條件下，爆燃波可以加速成為高速爆燃波(Fast Deflagration)，也可轉變為爆震波；而爆震波在小管道或者粗糙邊界條件下傳播時速度會降低，有可能成為低速爆震(Low-velocity Detonation)，也稱為“準爆震”(Quasi Detonation)，它在速度上與高速爆燃是重合的，因此二者很難界定[25]。

從爆震的穩定性來看，有的學者以爆震波是否有規則胞格結構為準，將爆震分為穩定爆震(Stable Detonation)和不穩定爆震(Unstable Detonation)，相應地，把能否產生規則結構的混合物稱為穩定/不穩定混合物(Stable/Unstable Mixture)。他們認為，穩定爆震的失效只與損失有關，受胞格的不穩定性影響較小；而不穩定爆震既受胞格的不穩定性影響，又受湍流影響[32, 33]。通常情況下，只有高度稀釋了的氣體燃料混合物才有穩定的胞格結構。實際上，由于爆震波具有復雜的三維結構，從本質上講爆震都是不穩定的。

另一種命名也是穩定/不穩定爆震(Steady/Unsteady Detonation)。該命名使用得比較隨意，沒有統一的定義，有些學者把它與Stable/Unstable Detonation混淆用，一般指爆震波是否以較穩定的速度或狀態傳播。從這一點來說，C-J爆震是穩定的，而馳震爆震和結巴爆震是不穩定的。

2.1 C-J爆震

根據燃燒(爆震)理論，C-J爆震是Rankine-Hugoniot曲線上具有最小熵增的燃燒解[22, 25]。早在上世紀七十年代就已經有人成功實現了中尺度管道內汽油混合物的C-J爆震[34]，以Lee的團隊[25]為代表的很多研究者也都以預爆管的形式研究過小尺度的C-J爆震。但近年來，Wu等人[35-36]率先在內徑d=0.5，1，2和3 mm的光滑管內較清晰地拍攝到了C-J爆震波由靜止起爆、傳播的過程(見圖 2)，他們使用的是常溫常壓、化學恰當比的乙烯-氧氣混合物。隨后，何建男等人[37]拍攝并分析了6 mm管道內當量比Φ=0.8，1.4，2.2的C-J爆震現象(見圖 3)。與預爆管起爆不同的是，靜止起爆的火焰要經過DDT過程，伴隨著速度變化，火焰也要經歷指尖形、郁金香形、DDT轉變和回爆(Retonation)、平面火焰等多種變化，其中包含了復雜的化學動力學機理。

圖2 Wu拍攝到的微爆震現象[35-36]

此外，Wu還進行了260和120μm微小間隙內的平面爆震實驗[38-39]，火焰在點火后形成一個圓環，其邊緣隨著火焰加速而不斷褶皺，DDT則發生在環形火焰的局部爆炸點。圖4(a)和(b)的煙跡清晰呈現了爆震波留下的胞格結構，在圖4(c)里也可以從藍色火焰中看到胞格結構。

(a) Φ=0.8

(b) Φ=1.4

DDT起爆的機理一直是個難題，它不但有非DDT起爆(如常見的預爆管起爆)的速度損失問題，還涉及爆燃燃燒及其轉變過程，對于小尺度管道而言，研究難度更大。這方面的內容在3.2節會討論。

2.2 螺旋爆震

螺旋爆震分為單頭(Single-headed)和多頭(Multi-headed)。單頭螺旋爆震最早由Campbell等人在實驗中發現[40-41]，他們在d=15mm的管內拍攝到了一氧化碳、氫氣和氧氣混合物螺旋爆震的條紋照片(圖 5)。可以看到，條紋照片的軌跡前端呈現規律性的波動，意味著爆震波面(Detonation Front)的速度是周期性變化的。然而，爆震波平均傳播速度卻是穩定的C-J速度。Schott[42]最先在d=25.4mm的管內拍攝到了乙炔-氧氣-氬氣混合物的單頭螺旋爆震軌跡(圖 6)。經過幾十年的研究，人們已經基本了解到，單頭螺旋爆震是一種在接近極限情況下(通常是很低的初始壓力和較稀釋的燃料)產生的爆震現象，是過驅爆震瞬間衰減后維持在C-J速度附近的一種狀態，也就是說，單頭螺旋爆震幾乎是爆震波能夠自持的邊界，如果低于某個臨界速度，它會衰減甚至消失[25]。從結構上來講，較弱的單頭螺旋爆震是一個沿管徑作螺旋狀傳播的橫波，其螺距約為3倍管徑，幾乎與燃料種類和初始壓力無關。稍強螺旋爆震的橫波則是左右雙向傳播的。如果爆震強度更大，則會產生不只1道橫波，多個激波在管內沿周向相互碰撞反射，就會產生多頭爆震。多頭螺旋爆震可以看成是單頭螺旋爆震的高頻形式，由于其具有明顯的胞格結構，它通常稱為胞格爆震(Cellular Detonation)。圖 7簡要地畫出了單頭和多頭螺旋爆震的結構[43-44]，其中可見雙頭螺旋有2道左右相反的橫波沿著管壁運動(圖 7(b))，而四頭螺旋則在左右方向各有兩道相反的橫波(圖 7(c)和圖 7(d))。

圖4 260 μm間隙內爆震波的煙跡和高速攝像圖片[38-39]

Fig.4 Soot records and high speed camera picture of the 260 μm gap detonation[38-39]

圖5 Campbell拍攝到的螺旋爆震[40-41]

圖6 Schott拍攝到的螺旋爆震[42]

圖7 (a)單頭,(b)雙頭,(c)四頭螺旋爆震簡圖[44],(d)四頭螺旋爆震的三維簡圖[43]

Fig.7 Sketch of (a) single-, (b) double-, and (c) four-headed spinning detonation[44](d) three-dimensional sketch of a four-headed spinning detonation[43]

自從螺旋爆震被發現以來，人們幾乎都是在中尺度以上的管道內研究此現象[42, 45-47]，微小尺度的研究非常少。Manzhalei等人[48-49]較早地在5～27 mm的管道內研究了激波前溫度對爆震穩定性的影響，Kitano等人[50]用煙跡法在3，6和10 mm內徑的管道內觀察了氫氣-氧氣混合物在不同壓力和當量比下的螺旋爆震，發現在DDT形成后(見圖8(a))，胞格開始生成。在圖 8(b)處，可以看到多頭螺旋爆震轉變為單頭螺旋爆震，之后爆震波以較穩定的速度傳播(見圖8(c))。Camargo等人[33]在1.8，6.3和9.5 mm內徑的管道內拍攝了穩定混合物和不穩定混合物的螺旋爆震和馳震爆震。

2.3 馳震爆震、結巴爆震及其它不穩定燃燒模式

結巴爆震和馳震爆震都是比螺旋爆震更不穩定的爆震形式。前者的爆震波以較低的速度傳播，且速度有很快的周期性波動[25]；后者比前者更不穩定，在某些情況下，激波和燃燒波解耦，速度降低，而在一段時間后，燃燒波面又突然變亮——某些文獻稱為二次起爆(Re-initiation)[46]，速度再次增加，可能經過若干循環后衰減[25, 51]。從穩定性上來講，結巴爆震更接近于螺旋爆震，其胞格結構也與螺旋爆震有相似之處[46]。

圖8 爆震波速度沿管長的變化和煙跡結構(H2/O2= 1/1，壓力p=13kPa，管徑d=6mm)[50]

Fig.8 Variation of detonation velocity along with tube length and soot patterns (H2/O2=1/1,p=13kPa,d=6mm)[50]

在較大尺度下，Lee[52]和Ishii[46]都對多種穩定和不穩定可爆混合物的爆震形式進行了總結和歸類。他們的部分結果見表1～3。可見，結巴爆震和馳震爆震大多出現在不穩定可爆混合物的近極限狀態[25]。小尺度的實驗同樣可以證明這一點。Manzhalei在內徑d=0.6，2.1，5[53]和1mm[54]的光滑管內得到了與大尺度實驗類似的傳播模式(見表4)。Camargo等人[33]則通過實驗證明，馳震爆震可以由螺旋爆震衰減形成。然而，對于“低速爆震”以及更低速度的傳播模式，由于缺少大量實驗驗證，尚不能準確地確定其能在何種情況下出現，甚至在速度區分上都有不同定義(Lee認為低速爆震的速度約為一半的C-J爆震速度[25])。如果再加上微細管道幾何形狀的影響(比如爆震波在細環形管道[32]、含障礙物管道[55]或細平面間隙[56-59]內傳播)，則其規律更難以掌握。

表1 不同的近極限燃燒形式分類[52]Table 1 Classification of the different types of near-limit behavior[52]

表2 部分不同可爆混合物的詳細傳播形式(1～6是表1中的燃燒模式序號)[52]

Table 2 Part of the evolution of the various modes (from 1 to 6 according to Table 1) with initial pressurepof the eight tested mixtures[52]: Ⅰ: (C2H2+ 2.5 O2) + 75% Ar; Ⅱ: C2H2+ 2.5 (O2+ 3.76 N2); Ⅲ: (C2H2+ 5 N2O) + 50% Ar; Ⅳ: C2H4+ 3 O2; Ⅴ: C2H6+ 3.5 O2; Ⅵ: C3H8+ 5 O2; Ⅶ: (C3H8+ 5 O2) + 50% Ar; Ⅷ: (C3H8+ 5 O2) + 50% N2

Modesp/TorrTestedmixturesⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧ1501280122502211112240221,2302,6222242,5,62,6152,62,3122,622,32,32102,62,62,43,42,3,46264

表3 部分不同可爆混合物的傳播模式[46]

Table 3 Part of the propagation modes in different mixtures by Ishii[46]: 1. 2H2+O2; 2. 2H2+O2+3Ar; 3. 2H2+O2+3N2; 4. 2H2+O2+7N2; C, Compression wave resulting in no re-initiation; F, Failure; St, Stuttering; Ga, Galloping; and S, Stable

p/mbarMixtures1234100S80C,Ga70C,F50SSF30SSF,St25GaFF20C,GaFF15FF

表4 微細管內的傳播模式[53]Table 4 Propagation modes in capillaries[53]

圖9 不同當量比和管徑下的火焰傳播模式[36]

Fig.9 Effects of tube diameter and equivalence ratio on the propagation mode[36]

值得一提的是，除了C-J爆震，Wu等人[36]在靜止點火條件下的光滑微細管道內還獲得了包括馳震爆震在內的多種火焰傳播模式(見圖9～10)。這一發現超越了近極限爆震通常都以預爆管的方式或在大尺度管內進行的范疇，也打破了微尺度爆燃燃燒和爆震燃燒的邊界，給微燃燒研究領域提供了更多的研究內容。

(a) d=1mm,Φ=0.35,steadydeflagrationwavepropagation(b) d=1mm,Φ=2,quenchingflame

圖10 幾種微細管道內的不同火焰傳播模式[36]
Fig.10 Different flame propagation modes in micro-tubes[36]

3 微爆震研究的幾個重要問題

3.1 影響爆震的因素

從上文可以看出，爆震燃燒的現象是十分多樣和復雜的，這是因為影響燃燒的因素很多，只要其中一個或若干個稍作改變，都很有可能得到完全不同的結果，這直接導致了爆震燃燒的基礎理論難以完善、規律難以掌握。

總的來看，燃料種類、管道尺寸、初始條件(如壓力、溫度、點火能量等)、壁面條件這4方面是影響爆震的主要因素，而且，它們之間還互相依賴，并不獨立影響燃燒。

3.1.1 爆震極限判定準則

具體地說，任何燃料的爆震都與其胞格尺寸λ有關，當管徑接近λ時，爆震就會不穩定，這種不穩定體現在爆震波速度的波動和相對于C-J爆震波速度的損失。Manson等人[60]最早提出爆震極限與爆震波的穩定性有關，他們認為馳震爆震是可自持傳播的不穩定爆震的最低形態，因為馳震爆震的爆震波解耦、二次起爆過程會持續幾個周期，通常一個周期長度約為幾百倍的管徑。Moen等人[61]則認為螺旋爆震的出現可以成為定義爆震極限的準則，Lee[62]在此基礎上進一步提出λ=πd是爆震極限的準則(也稱λ/3準則[63])。

總體上來講，很多實驗證明[50, 64-65]，λ/3準則具有較廣的適用性，在微細管道內也同樣如此[64-66]，也就是說，Manson等人[60]提出的以馳震爆震的出現為判定爆震極限依據的論斷不太合適，因為馳震爆震無論在大尺度還是小尺度的爆震中都不常見，且難以確定其在何種情況下能夠出現。Gao等人[67]甚至沒獲得在微細管道內的穩定可爆混合物的馳震爆震。但是，λ/3準則也有一些不足，Camargo等人[33]通過實驗發現，該準則對不穩定可爆混合物的適用性稍差，它目前只對出現穩定螺旋爆震的極限情況預測較好(即支持Moen[61]的觀點)。

值得一提的是，“λ/3準則”的λ本身也受初始壓力和溫度等條件影響。有實驗發現，隨著管徑d的減小，初始臨界壓力會提高[64]，進而減小λ[65]；也有實驗發現，初始溫度的提高會增大λ，進而減弱混合物的可爆性[68-69]，在此情況下，判定爆震極限的難度就大大增加了。

3.1.2 邊界條件

邊界條件對爆震的影響也十分復雜，但總體來講，如上文提到的，穩定可爆混合物的爆震受邊界條件影響較大，不穩定可爆混合物還受自身爆震波鋒面不穩定的影響[33]。Starr等人[55]研究了d=12.7和50.8mm管徑的爆震極限，發現粗糙壁面下的爆震極限比光滑壁面的寬，這意味著由粗糙度引起的湍流對爆震波的傳播起到了增益作用，同時測得了失效速度約為0.4VCJ。對于非圓形邊界，Ishii等人[59]研究了不同當量比的爆震波在平面縫隙內的速度損失，發現低當量比的混合物更容易在細管道內傳播，其速度損失ΔV∝H-0.8，其中H是縫隙的高度。國內的張超等人[58]也進行了相似的實驗。Wu等人[70]研究了一個微細突擴管道內的近極限爆震現象，發現了爆震波經過突擴段之后的二次起爆。

3.2 火焰加速和DDT過程

爆燃和爆震雖然是2種不同的燃燒方式，但在很多情況下兩者可以相互轉變。為了更好地利用爆震燃燒的優勢，人們一直都在嘗試用最有效的方法獲得爆震波。DDT起爆由于不需要很高的點火能量，是現在最常見于爆震發動機的起爆方式[22]。關于DDT的研究非常多[71, 72]，歸納起來，人們關注的問題無非是：何時、何處以及如何形成DDT[71]。

3.2.1 DDT距離——何時、何處形成爆震

對于爆震發動機來說，DDT的形成越快越好，除了常見的設置障礙物、提高壓力等手段外，減小尺寸也有利于縮短DDT距離。圖11對比了Wu[36]和何建男[37]在不同管徑下測得的火焰速度，可以看出，爆震波在小管徑內達到C-J爆震的時間明顯更小，意味著DDT距離更短。這一效果也是進行微爆震研究的主要動力。何建男等人[73]還給出了更清楚的DDT距離隨管徑的變化(見圖12)，但是并未作進一步分析，迄今為止，這方面的研究仍然不足。

圖11 不同管徑下的火焰傳播速度對比[36-37]

圖12 不同管徑下DDT距離ld、C-J爆震壓力和C-J爆震速度隨當量比的變化[73]

Fig.12 Evolution of DDT distance, C-J pressure and C-J velocity with equivalence ratio under different tube diameters[73]

當然，參考前文的論述，影響DDT距離的因素不只有尺寸一個。實際上，早在上世紀60年代，Bollinger等人[74]就已經測量了不同壓力和溫度下、多種可爆混合物的DDT距離，并提出了預測DDT距離的經驗公式，但是由于缺少完整的理論分析，有時并不準確；Dorofeev[75]根據火焰面積、湍流燃燒速率和火焰傳播速度的關系，提出了光滑管道和帶障礙物管道內的DDT預測公式，但是他并沒有研究小尺寸管道是否適用。對于微爆震，何建男等人[37, 73]發現當量比Φ與DDT距離ld的關系呈U形曲線，類似的U形曲線也體現在Φ與直接起爆的臨界點火能量[76]和Φ與胞格尺寸λ的關系上[26]。由于λ是爆震波的特征參數，而它與ld之間是否存在某種對應關系，是值得研究的地方。

值得一提的是，DDT距離也可以用煙膜法測量，但是Wen等人[77]發現，煙膜的厚度會影響DDT，即使在大尺度管內也如此。

3.2.2 DDT的形成原因

對于DDT的形成，Urtiew等人[78]觀察到了2種情況，有時DDT發生在湍流火焰區，有時發生在前導激波和火焰之間的預熱區(Preheated Zone)。Oran[71]認為湍流火焰可以加強穿過它的激波并產生新的激波，而后者又可以反過來加強湍流，這種激波和火焰的相互作用能夠在未反應混合物中產生局部點火，稱為“熱點”(Hot Spots)，根據Zeldovich[79-80]的梯度理論，這些熱點最終能夠引發爆震。Markstein[81]通過實驗證實了激波對火焰湍流度的增強作用，但是他的激波并不是跟火焰在同一方向起始。Liberman等人[82-83]則更支持預熱區的作用，他們認為DDT的形成完全決定于管道內的火焰加速。他們的數值模擬和實驗均表明，火焰要經過3個階段的加速過程：(1)火焰點火，呈指數倍加速，并在距火焰面較遠處產生激波；(2)火焰加速度減小，在火焰鋒面直接形成激波；(3)火焰最終加速成為爆震。其中在第二階段，火焰前端的未反應物被壓縮、加熱(形成預熱區)，壓力快速升高，導致反應率再次增強，當激波與火焰面耦合后，產生過驅爆震。圖13(a)～(c)展示了三個階段火焰加速的全過程，可以看到火焰在不同加速階段，其形狀也不同。在第一階段，火焰呈“指尖形”加速傳播；在第二階段，火焰鋒面發生彎曲、凹陷，并在前方形成“預熱區”；而在第三階段，火焰面與激波耦合，形成爆震。

圖13 Liberman拍攝到的DDT三階段加速過程[83]

實際上，火焰在形成爆震前所經歷的加速過程已經被一些學者研究過[84-90]，上文的第三階段除了包含最終的爆震形成之外，在之前還有一段火焰加速到C-J爆燃速度的過程，即整個DDT過程總共可以分成4個不同階段的速度變化。這一特點除了被數值分析所證實外[85, 88]，也被何建男等人[37]在微爆震實驗中觀察到。雖然這方面內容在實驗和數值分析上都缺少足夠的研究，但是有一些結論已被初步了解，比如，第一階段的火焰加速受粘性應力的影響較??；第二階段火焰會出現彎曲[82-84, 89, 91]，被稱為“郁金香形”火焰(Tulip Flame)[92]；第三階段的加速較復雜，壁面的粘性加熱作用不可忽視[86, 88, 90]等。綜合來看，在最終形成爆震前，第二、三階段的影響是至關重要的，不論是“熱點”還是“預熱區”，都有可能加速爆震的形成，而通過目前的數值分析來看，在小尺寸管道內，氣體在第二、三階段的預壓縮、遇到的水力阻力而產生的高壓和強激波可能是爆震形成的主要原因[87-88, 93-94]，這也間接支持了“預熱區”的解釋。Ivanov等人[93-94]甚至模擬得出，當管徑尺寸降到1 mm以下時，火焰可以直接指數加速至爆震，沒有第二階段的減速過程(見圖14)。這一結論還需要通過實驗來驗證。

圖14 Ivanov模擬的d=0.5～10 mm管徑的火焰加速過程[94]

Fig.14 Flame velocity-time dependence for the channels ofd=0.5～10 mm by Ivanov[94]

在中、大尺度的爆震管中，常使用障礙物來加速DDT形成，雖然現在還沒有文獻報道在微爆震中使用障礙物或其它方法(比如增加壁面粗糙度)，但也是值得嘗試的。Ciccarelli等人[72]總結了光滑管和帶障礙物管道形成DDT的準則：分別是d≥λ/π和d′≥λ，其中d′是帶障礙物管中沒有阻礙處的橫截面直徑。該準則對于微爆震的適用性還有待于檢驗。

3.3 微爆震推進性能評估

任何動力系統都需要經過性能評估才可以判定其是否有應用價值。微爆震作為一種新概念動力方式，與其它推進裝置相比是否有具有優勢，還需要大量研究來證明，包括對其燃燒效率、循環效率和推進性能方面進行評估。由于常規爆震的性能模型尚不完善，以上研究的開展更加艱巨。

何建男等人[73]率先用懸擺法測量了內徑為4～10 mm的單次微爆震比沖。他們采用了Wintenberger等人[95]的直接起爆計算模型，發現如果不計DDT過程對沖量的影響，該模型估算的比沖與實驗值吻合較好。他們也與Cooper等人[96]在大尺度、無障礙物的管內測得的比沖作了比較，發現微爆震的比沖不比大尺度的高，但是這其中有DDT、長徑比、工況等諸多因素的影響，而且考慮到何建男等人的測量系統有阻力，其真實的比沖應該更大。在他們的工況下，化學恰當比的乙烯-氧氣混合物在4～10 mm內徑、l m長的光滑管內單次爆震產生的比沖至少為90～130 s。

DDT可能是對微爆震比沖造成最嚴重影響的因素之一。在何建男等人[73]的實驗中，DDT距離約占整個管長的20%～60%(光滑管內)，而DDT過程中的火焰加速產生的沖量十分小，如果能夠縮短DDT距離，系統的比沖會大大提升。在大尺度爆震中，人們通常用障礙物來縮短DDT，但是其比沖由于損失的增加反而有可能比不加障礙物的低。因此，如何在微細管內有效縮短DDT距離，是提高微爆震推進性能的關鍵。

對于微細管道內爆燃火焰產生的推力和比沖，Gamezo等人[97]進行了模擬。他們發現，在d≈0.1～1.2 mm的極細管道內，管徑越小，推力越大；當管徑約為層流火焰反應區厚度的5倍時，推力是最大的。他同時定義了2種比沖：一是基于噴射出管道的氣體質量，一是基于已燃氣體的質量，發現前者隨管徑的減小而增加，后者相反。雖然他們的管道尺寸過于短小，而且僅僅模擬了爆燃火焰的加速過程，但是這一結果依然具有參考意義，因為它證明細管道的火焰不但加速更快(3.2節的文獻已說明這一點)，甚至推力也更大。由于DDT過程的火焰是爆燃的，能否通過進一步減小DDT過程的管徑來加速爆震、增加推力，也比較有研究意義。

此外，管徑、管長等也是決定比沖的關鍵因素，它們或單獨、或相互地影響系統性能，使復雜程度大大增加?？傊?，對微爆震比沖的評估還需要大量的實驗數據，何建男[73]和Cooper[96]的工況有所不同，簡單的對比也是很有局限性的。

關于微爆震的循環模型的建立可以參考傳統爆震發動機的模型[98-99]，其中重要的一方面就是評估損失的影響。除了常規爆震中需要考慮的障礙物、燃燒不充分等帶來的損失，微爆震推進器還要考慮體積減小、面容比增加對系統熵增的影響。Li等人[100]通過對圓管內的火焰傳播進行理論分析發現，當管的半徑小于10倍火焰厚度時，系統的單位體積熱損失會極大地增加。但是與常規爆震相比，由于面容比增加導致的損失會多大程度地影響微爆震的推進性能，還需要進一步探索。

3.4 微爆震動力系統

隨著MEMS概念的興起，大量新穎的微推進器被人們設計出來[13-14, 101-102]，但是基于微爆震的推進器在文獻中還很少見。McManus等人[103]較早提出了基于MEMS的小尺度PDE概念，盡管他們的爆震管尺寸按照本文的定義屬于大尺度，但是他們的實驗證明PDE的最大推力比相同尺寸的沖壓發動機大一倍，而單位推力的耗油率比后者低將近一倍。

目前唯一對微爆震推進器進行實質探索的是Wu等人[104]。他們采用低溫共燒陶瓷(Low Temperature Cofired Ceramic，簡稱LTCC)制作了1mm×0.6mm×100mm的微爆震推進器(見圖15)。在100 Hz的頻率下，單次脈沖的沖量約為12 μN·s，比沖是10 s。他們的成果證明，把微爆震用于動力推進領域是可能的。然而也可看出，該推進器的推進性能還不理想，這可能是由于管道尺寸小，工作頻率高，氣體填充、混合不好，導致燃燒不充分，DDT距離過長。從圖16中可以看到，混合物在推進器尾端才形成爆震，而且不同脈沖爆震循環的火焰亮度差別較大，說明爆震不是很穩定。

圖15 Wu的LTCC微爆震推進器爆炸視圖[104]

Fig.15 Exploded view of the LTCC layers of the pulsed detonation micro-thruster[104]

圖16 2個相鄰脈沖爆震循環的高速火焰傳播圖[104]

Fig.16 High-speed visualizations of reaction propagation in two successive pulsed detonation cycles[104]

Wu的嘗試反映出了制造微爆震推進器的一些問題，關鍵是要解決可爆混合物在微尺度空間內的供給、填充、穩定工作和短距起爆問題，同時，還要兼顧推進器的強度、能量損失等方面，這給其設計、制造提出了較高的要求。

4 結論

微爆震燃燒是一個較新的研究課題，本文基于近幾十年興起的微燃燒和微動力機電系統研究提出這一概念，旨在把爆震燃燒用于微動力領域，以解決人們對小型、高效動力的需求。

幾十年來，人們在近極限爆震研究中已經發現了與微爆震有關的現象，但是對其復雜的成因和影響因素，還沒有研究透徹，比如火焰傳播模式在何種條件下發生、DDT形成條件、如何縮短DDT等。這些問題不但是微爆震推進器設計的基本問題，也涉及爆震燃燒的安全問題，在工程應用上是極具參考價值的。

如果把微爆震應用于動力系統，人們還需完善爆震性能計算模型。常規爆震的模型雖然可以作為參考，但對于微爆震還需要考慮損失。微爆震推進器的設計應該建立于對爆震波傳播和發展規律有一定把握的基礎上，這一點還需人們進行大量的實驗和數值模擬研究。

總之，微爆震無論在機理還是工程應用上都具有較高的研究價值，很多重要難題還需要研究者進行不斷探索。

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(編輯：李金勇)

Progress in the microscale detonation research

He Jiannan, Fan Wei*

(School of Power and Energy, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

Microscale detonation is a new research subject based on the concepts of microscale combustion and power micro electro mechanical systems, which aims to meet the increasing demand for small but high performance power system by utilizing detonation combustion with high thermal efficiency. Although microscale detonation research has partially been involved in the conventional investigations of detonation for decades, its fundamental mechanisms are still poorly understood. In this paper, an overall review on the phenomenon, origins, influence factors and challenges of microscale detonation as well as its basic concepts is provided. Significant results to date are summarized, which may contribute to the further exploration of this subject.

microscale detonation;microscale combustion;power MEMS;near-limit detonation;micro thruster

1672-9897(2016)01-0015-13

10.11729/syltlx20150135

2015-11-12;

2015-12-17

國家自然科學基金項目(91441201;51176158;51376151)；教育部博士點基金項目(20126102110029)

HeJN,FanW.Progressinthemicroscaledetonationresearch, 2016, 30(1): 15-27. 何建男，范瑋. 微尺度爆震燃燒研究進展. 實驗流體力學, 2016, 30(1): 15-27.

V231.2+2