連續超聲速射流對撞的試驗研究

趙 坤，刁志成，何立明，曾 昊，杜宏亮，劉圣平

（1.空軍工程大學航空工程學院，西安710038；2.中國人民解放軍某部隊，天津301700；3.中國人民解放軍某部隊，北京100076）

0 引言

2級脈沖爆震發動機[1-2]（2-Stage Pulse Detonation Engine）是1種基于激波聚焦起爆爆震方式的新概念脈沖爆震發動機，由俄羅斯的Levin教授首次提出，具有結構簡單、尺寸小和質量輕、不需要額外點火起爆裝置及機械閥、爆震頻率高等諸多優點。其工作過程主要分為2個階段[3]：第1階段：霧化燃油與空氣混合在預燃室內富油燃燒，將大分子燃油裂解為化學活性高的小分子中間產物，形成易燃混合氣；第2階段：易燃混合氣與第2股空氣再次混合后經過環形射流噴管以超聲速射流形式噴入凹面腔，在凹面腔內對撞誘導激波聚焦起爆爆震。其中，超聲速射流對撞誘導激波聚焦起爆爆震是2級脈沖爆震發動機工作的關鍵環節。

目前，國內外學者對超聲速射流對撞誘導激波聚焦起爆爆震開展了大量的研究工作[4-9]，但是無論是試驗還是數值模擬方面，目前的研究多集中于暫沖式激波的對撞、聚焦，對于連續超聲速射流對撞誘導激波聚焦的研究較少，僅有少數單位開展過相關試驗，而且主要進行的是2級脈沖爆震發動機的整機試驗，偏重于宏觀分析，對連續超聲速射流對撞詳細機理的研究還不夠充分。本文在前人[10-13]研究的基礎上，開展了自由空間內連續超聲速射流對撞的試驗，通過分析流場陰影、動態壓力和輻射噪聲揭示連續超聲速射流對撞的機理。

1 試驗系統

試驗系統主要包括供氣系統、射流對撞試驗段、陰影拍攝系統（如圖1所示）和壓力測量系統（如圖2所示）。供氣系統包括空壓機、儲氣罐和冷干機，首先空壓機將空氣壓縮儲存在儲氣罐內，當達到設定壓力后打開閥門，高壓氣體經過冷干機冷卻干燥并去除雜質后進入試驗段，通過拉瓦爾噴管噴出。試驗段主要包括2個相對設置的穩壓罐及拉瓦爾噴管，其中拉瓦爾噴管的尺寸設計由式（1）、（2）決定。即在設計射流馬赫數Ma為1.5的情況下，拉瓦爾噴管入口壓力為0.367 MPa，噴管出口面積（A2）與喉部面積（A1）之比A2/A1=1.345。

圖1 紋影拍攝系統

圖2 壓力測量系統

式中：p0為拉瓦噴管入口壓力；p1為拉瓦噴管出口壓力；k為空氣熱力指數；Ma為射流馬赫數。

陰影拍攝系統包括光源、凹面鏡和CCD高速相機，其中高速相機的拍攝頻率為115000幀/s，曝光時間為960 ns，照片分辨率為128×256。壓力測量系統主要包括測量2個噴管中點的PCB動態壓力傳感器、測量拉瓦爾噴管入口前總壓的總壓傳感器、測量射流對撞區域輻射噪聲的聲壓傳感器以及相應的數據采集器，由于PCB動態壓力傳感器位于射流對撞區域，必然會影響流場，根據多次試驗結果的分析，其壓力測量的不確定度為5.12%。

2 試驗結果與分析

由于高壓氣流從儲氣罐流向拉瓦爾噴管的過程中會有壓力損失，所以首先通過空氣壓縮機向儲氣罐內壓縮氣體達到0.5 MPa，然后打開閥門，穩壓罐內的壓力瞬間升高后逐漸下降，當總壓傳感器測量到的壓力下降到0.367 MPa時，啟動高速相機并拍攝0.2 s，同時測量射流對撞中心的動態壓力及輻射噪聲的聲壓。

2.1 流場演化分析

通過分析射流對撞區域的陰影圖片，觀測到了超聲速射流對撞后產生的激波陣面的演化過程以及激波的一些特殊運動模態。

圖3 拉鋸脈動模態的陰影

超聲速射流對撞后產生左右2個激波陣面，同時在水平方向呈現出周期性的小幅高頻拉鋸式脈動。激波拉鋸脈動模態的流場演化過程如圖3所示，即射流對撞后形成的激波陣面經歷從合并到分開再到合并的過程。在t=75697 μs時，2股超聲速射流對撞后能量迅速聚集并形成1道狹長的激波，在陰影照片中明顯可見對撞面呈現1道細線，隨后對撞區域逐漸變寬，對撞后形成的狹長激波分開形成左右2個激波陣面（如圖 3（b）所示），在 t=76077 μs時射流對撞區域寬度達到最大，激波陣面運動至左右極限位置；之后對撞區域逐漸變窄，左右激波陣面逐漸合并（如圖5（d）所示），在 t=76552 μs時，對撞區域寬度達到最小，左右兩側激波陣面合并形成2道狹長的激波，此時完成對撞激波的拉鋸脈動模態循環；之后對撞區域再次變寬，狹長激波再次分開形成左右2個激波陣面，進入下1個循環。激波在水平方向呈現周期性的拉鋸式脈動，原因在于射流對撞區域的壓力周期性的增大與減小。兩側射流對撞導致對撞區域的能量瞬間聚集，從而產生激波，同時對撞區域的壓力迅速增大直到大于兩側射流的壓力，此時在壓差的作用下，兩側射流分開，在陰影圖中呈現的就是激波陣面的分開，當射流分開后，對撞區域的壓力下降直到低于2側射流的壓力，當射流再次對撞，在陰影圖中呈現出激波陣面的合并，此時射流對撞的1個循環完成。

圖4 左右搖擺模態的陰影

通過觀察陰影圖片，觀測到除激波的拉鋸脈動模態之外，射流對撞后形成的激波還呈現出2種特殊的運動模態：左右搖擺模態與弓形旋擰模態。

激波的左右搖擺模態陰影如圖4所示，從圖中可見，射流對撞后形成的激波呈現周期性的左右搖擺。在t=92513 μs時，激波處于左右搖擺模態的初始狀態，與2個噴管的對稱面平行，隨后激波逆時針偏轉并在t=92531 μs時到達極限位置；之后激波又順時針偏轉，在t=92559 μs時與對稱面平行，直到在t=92576 μs時到達極限位置；隨后再次反向沿逆時針偏轉并在t=92594 μs時與對稱面平行，完成左右搖擺模態1個循環；之后激波繼續逆時針偏轉，進入下1個循環。

圖5 弓形旋擰模態的陰影

激波的弓形旋擰模態陰影如圖5所示，首先在t=15109 μs時激波與2個噴管的對稱面平行，然后激波中部逐漸向右側突起并演變成反C型曲面，如圖5（a）所示，然后激波上下兩端向右偏移，并在t=15145 μs時演化成明顯的弓型曲面；之后激波上下兩端向左偏移逐漸恢復到反C型曲面，如圖5（d）所示，最后激波中部突起部分向左偏移并在t=15179 μs時恢復到與2個噴管對稱面平行的位置，此時完成弓型旋擰模態的1一個循環；之后激波中部再次向右側突起，進入下1個循環。

由于加工誤差等因素，兩側噴管流出的超聲速射流不可能保證完全一致，當兩側射流的流速相差較小時，射流對撞基本穩定，呈現出拉鋸脈動模態，而當流速相差較大時，射流對撞不穩定，呈現出左右搖擺、弓形旋擰等模態。

2.2 動態壓力特性分析

布置于2個噴管出口連線中點的動態壓力傳感器采集到的動態壓力局部時域如圖6所示，從圖中可見，在少數情況下壓力脈動幅值比較大，最大值約為1.534 MPa；在多數情況下壓力脈動幅值比較小，約為1 MPa，最小約為0.5 MPa。造成這種現象的原因是超聲速射流對撞不穩定性，即射流對撞后可能出現拉鋸脈動模態，也可能出現2種特殊的運動模態。當拉鋸脈動模態的激波合并時，對撞區域壓力大，動壓傳感器采集到的動壓幅值較大，從圖中可見，2次較大峰值之間的時間間隔大約為1050 μs，即激波拉鋸脈動模態的頻率大約為956 Hz；當對撞后出現2種特殊模態時，動壓傳感器采集到的動態壓力幅值較小，沒有明顯的周期性，具有一定的隨機性。

圖6 動態壓力時域

將噴管出口中心動態壓力進行傅里葉變換后得到頻域圖如圖7所示。從圖中可見，動態壓力頻譜中同時存在基頻為1068、3952 Hz的2種壓力脈動，其2倍頻分別為2316、7903 Hz，其3倍頻分別為3452、11850 Hz。其中的1068 Hz與根據時域圖計算得到的激波拉鋸脈動模態頻率956 Hz比較接近。而圖中基頻為3952 Hz的峰值僅為1根單一線段，推測此頻率代表的壓力脈動與激波拉鋸脈動模態產生的壓力脈動不同。考慮到動態壓力傳感器是由1根具有一定高度的鋼制支架固定在基座上的，相當于1根懸臂梁，在強擾動作用下很可能會發生振蕩，由此推測，3952 Hz可能是動態壓力傳感器支架的固有振蕩頻率。

為了說明3952 Hz的壓力脈動的成因，使用Hypermesh軟件進行建模分析，壓力傳感器基座上部的5種振蕩模態如圖8所示。模擬中采用六面體網格，同時根據支座材料為45#碳鋼，確定計算中的彈性模量E=200 GMPa，泊松比μ=0.269。設置基座底部橫向支架兩端為固定點，即此 2 點的 dx、dy、dz、wx、wy、wz均為零。約束支座頭部（即傳感器固定處）x、y、z方向的平動自由度以及繞 x、y、z軸方向的旋轉自由度。經過計算得到的各模態的固有頻率fg分別為939.8、2019、3697、3810.5、8557 Hz。從圖 8（d）中可見，模態的振蕩頻率為3810.5 Hz與頻域圖中基頻為3952 Hz的壓力振蕩頻率在數值上非常相近，因此可以判定3952 Hz的基頻為動態壓力傳感器基座的固有振蕩頻率。

圖8 動態壓力傳感器基座5種振蕩模態

2.3 輻射噪聲特性分析

射流對撞中通常包含3種輻射噪聲：嘯叫、寬頻帶激波相關噪聲、湍流摻混噪聲，并且每種噪聲都有其相對應的聲源，如湍流結構所輻射的湍流摻混噪聲[14-15]；激波胞格結構與湍流不穩定波動的相互作用產生的寬頻帶激波相關噪聲[14-15]；非定常小擾動在噴口與激波胞格間的正反饋產生的嘯叫[16]。

圖9 輻射噪聲頻譜

超聲速射流對撞過程中產生的輻射噪聲的頻域如圖9所示。從圖中可見，在低頻段存在頻率較低的湍流摻混噪聲，其頻率比較穩定，所占的頻帶較寬；在高頻段存在寬頻帶激波相關噪聲；除此之外，還可以看到基頻為1043 Hz的嘯叫及其攜帶的2次與3次諧波，這由激波拉鋸脈動模態引起的，但是，嘯叫頻率為1043 Hz較動態壓力傳感器直接測得的動態壓力頻率1068 Hz略有降低。根據Powell[16]提出的嘯叫聲反饋放大機制可知，由于激波拉鋸脈動模態引起的壓力脈動作為初始的外界擾動經過了較長的聲反饋回路，產生的嘯叫頻率必然低于聲源的壓力脈動頻率。

3 結論

開展了自由空間內連續超聲速射流對撞的試驗，通過分析流場陰影、動態壓力和輻射噪聲來揭示連續超聲速射流對撞的機理，得出如下結論：

（1）自由空間內連續超聲速射流對撞后產生的激波呈現3種不同的運動模態：拉鋸脈動模態、左右搖擺模態和弓型旋擰模態；拉鋸脈動模態的過程實質上是射流對撞產生的激波陣面的小幅高頻拉鋸式脈動。

（2）在射流馬赫數為1.5的工況條件下，激波的拉鋸脈動模態導致的壓力幅值可達1.534 MPa，具有周期性，其頻率為1068 Hz；激波的左右搖擺模態和弓型旋擰模態導致的壓力幅值較小，具有隨機性。

（3）激波拉鋸脈動模態引起的壓力脈動作為初始的外界擾動經過了較長的聲反饋回路，其產生的嘯叫頻率低于聲源的壓力脈動頻率。

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