基于TDLAS技術結合多普勒測速的脈沖爆轟發(fā)動機沖量測試

呂曉靜 李寧 徐恩華 高軼群

摘 要：基于吸收光譜技術結合多普勒測速方法搭建測試系統(tǒng)分別對脈沖爆轟發(fā)動機管口處燃氣溫度和速度進行了實驗監(jiān)測，并根據(jù)動量原理計算沖量，實現(xiàn)了脈沖爆轟發(fā)動機沖量的間接測量；對發(fā)動機沖量特性進行了研究，獲得了發(fā)動機單個工作循環(huán)過程中燃氣排放參數(shù)如燃氣密度、沖量及排氣質(zhì)量等參數(shù)的變化情況，為脈沖爆轟發(fā)動機的設計和運行控制優(yōu)化提供寶貴的參考數(shù)據(jù)。

關鍵詞：吸收光譜；沖量；脈沖爆轟發(fā)動機；燃氣

1 緒論

脈沖爆轟發(fā)動機（PDE）工作中燃氣溫度速度變化劇烈，通過常規(guī)接觸式的電子傳感器無法測量獲得沖量的動態(tài)變化情況，無法揭示非穩(wěn)態(tài)燃氣射流對PDE推力的貢獻，而燃氣射流特性的獲取可為發(fā)動機噴管的設計提供可靠佐證[1，2]。

激光吸收光譜技術（TDLAS）作為一種非接觸式氣體測量手段，能夠通過測量氣體對激光的吸收度來獲取PDE工作過程中管口處燃氣溫度及速度。直噴管或無噴管PDE產(chǎn)生的沖量可以分為兩部分，分別是燃氣射流沖量和出口處反向作用力引起的沖量。[3]由此，燃氣沖量可通過測量PDE管口燃氣溫度和燃氣射流速度計算間接得到。燃氣溫度可直接由雙譜線測試法獲得，燃氣射流速度可由多普勒光譜測試原理獲取。[5]

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本文基于TDLAS技術，同時結合多普勒測速原理分別搭建測試系統(tǒng)測得燃氣溫度與速度，并根據(jù)動量原理計算燃氣射流沖量和出口反向作用力沖量獲取了PDE沖量變化情況。

2 PDE燃氣溫度及速度測試

圖1給出了PDE管口燃氣溫度測試系統(tǒng)與速度測試系統(tǒng)。測試光路L1以及交叉光路L2、L3交叉處與管口垂直距離均為1cm，L2、L3交叉光路夾角為45°。

在PDE燃氣溫度與速度測試實驗中，工況保持一致。激光器溫度控制為291.7K，信號發(fā)生器設為50kHz鋸齒波，數(shù)采系統(tǒng)的采樣頻率設置為20M。

3 PDE燃氣沖量計算與分析

根據(jù)由圖 1所示系統(tǒng)測量得到的燃氣溫度與速度技術結果，采用氣體狀態(tài)方程式計算爆轟管出口處的燃氣密度，結果如圖2所示。

實驗開始時，爆轟波的產(chǎn)生使燃氣密度達到最大值，隨后迅速降低；在高溫高速燃氣噴射階段，管內(nèi)燃氣膨脹有所減低，密度開始逐漸增大；爆轟波到達20ms后，燃氣密度有下降的趨勢，主要是受緩燃效應的影響，之后隨著新鮮燃料氧化劑的填充，燃氣密度再次緩慢爬升至填充氣體密度。

PDE單個工作循環(huán)中燃氣沖量情況，結果由圖3給出。Iu和Ip分別表示燃氣射流沖量和爆轟管出口處反向作用力引起的沖量，It為總沖量。在整個工作循環(huán)中，反向作用力引起的沖量為0.36 N·s，而燃氣射流沖量為1.52 N·s，PDE燃氣產(chǎn)生所產(chǎn)生的的總沖量It為1.88N·s。爆轟波后，燃氣受膨脹作用影響速度很高，燃氣密度也比較大，由此，燃氣射流沖量在很短時間內(nèi)得到迅速提高，達到了1ms時刻的0.7 N·s，2ms時刻的0.75 N·s。在之后的8ms時間段內(nèi)，燃氣射流僅產(chǎn)生了0.35 N·s，在10～20ms時間段內(nèi)，燃氣射流產(chǎn)生的沖量更低，僅為0.2 N·s。

PDE沖量產(chǎn)生劃分了三個階段，分別為第一階段：爆轟附著膨脹階段、第二階段：壅塞膨脹階段和第三階段：膨脹減弱階段。0～1ms時間段內(nèi)為第一階段爆轟附著膨脹，在該時間段內(nèi)PDE產(chǎn)生的沖量占總沖量的53.1%，燃氣射流沖量占69.8%；第二階段出現(xiàn)在1～12ms時間段內(nèi)，該階段產(chǎn)生的沖量占總沖量的27.9%；而在第三階段12～20ms，燃氣膨脹階段僅產(chǎn)生了6.7%的沖量。根據(jù)圖4我們可以知道在20ms后PDE管內(nèi)發(fā)生了緩燃效應，之后一段時間內(nèi)燃氣沖量曲線繼續(xù)上升，表明緩燃階段亦有沖量產(chǎn)生。該階段產(chǎn)生的沖量為0.25 N·s，對PDE總沖量的貢獻為12.3%。緩該階段產(chǎn)生的沖量遠低于第一、二階段，但高于第三階段。

對PDE燃氣排放質(zhì)量進行計算，結果如圖4所示。三個階段產(chǎn)生的燃氣排放質(zhì)量分別為爆轟附著膨脹階段的3.08g、壅塞膨脹階段的5.34g和膨脹減弱階段的2.90g，而緩燃效應產(chǎn)生的燃氣排放質(zhì)量達到6.8g，為各階段最高。但緩燃效應產(chǎn)生的沖量最低，表明該段效率遠低于第一、二階段。除此之外，緩燃效應的發(fā)生還將延長填充進程時間，導致燃料的浪費。

4 結論

基于TDLAS技術，同時結合多普勒測速原理分別搭建測試系統(tǒng)測得燃氣溫度與速度，并根據(jù)動量原理計算獲取了PDE沖量變化情況。分析了PDE沖量產(chǎn)生的各個階段的貢獻，其中，爆轟附著膨脹階段貢獻的沖量占53.1%，燃氣排放質(zhì)量僅為3.08g，效率最高；緩燃效應產(chǎn)生的燃氣排放質(zhì)量為6.8g，貢獻沖量僅為12.3%，效率遠低于其他階段。

參考文獻：

[1]李旭東，王春，姜宗林.噴管對脈沖爆轟發(fā)動機性能的影響[J].力學學報，2011，43（1）：1.10.

[2]王研艷，翁春生.兩相脈沖爆轟發(fā)動機尾噴管的實驗研究[J].推進技術，2014，35（2）：282.288.

[3]胡洪波.脈沖爆轟發(fā)動機中汽油基凝膠燃料爆轟特性研究[D].南京理工大學，2014.

[4]呂曉靜，李寧，翁春生.基于雙光路吸收光譜技術的氣液兩相爆轟燃氣診斷技術研究[J].光譜學與光譜分析，2014，34（3）：582.586.

[5]HU HONG.BO，WENG CHUN.SHENG，LV XIAO.JING，et al.Analysis on Impulse Characteristics of PDRE with Exhaust Measurements[J].International Journal of Turbo & Jet.Engines.2014，31（2）：97.103.

基金項目：廣東省大學生科技創(chuàng)新培育專項資金（pdjhb0693）

作者簡介：呂曉靜（1987.），女，博士，講師，主要研究方向：激光測試方法在燃燒場測試中的應用，航空發(fā)動機檢測技術。