環縫寬度對旋轉爆震發動機工作特性的影響*

2019-03-28 08:17:08徐燦，鄧利，馬虎，余陵

爆炸與沖擊 2019年3期

關鍵詞：模態

徐燦，鄧利，馬虎，余陵

（南京理工大學機械工程學院，江蘇南京 210094）

爆震是一種特殊的燃燒模式，反應物在前導激波面的絕熱壓縮作用下，溫度和壓力迅速上升，當達到燃燒所需條件后，發生快速化學反應，同時，在膨脹波作用下，爆震波向前傳播。爆震以其能量釋放速度快、熵增小、熱循環效率高等優點，受到廣泛關注。旋轉爆震發動機（rotating detonation engine，RDE）是一種基于爆震的新型發動機，通常采用圓環形燃燒室結構，反應物可通過預混或非預混2種方式噴注，只需要初始一次點火，就能產生高頻自持旋轉爆震波。最早由Voitsckhovskii驗證了其可行性，在隨后幾十年的研究和發展中，雖然經歷了一段相對沉寂的時期，但由于RDE的諸多優點：結構簡單、頻率高、工作范圍寬等，于二十一世紀初重新受到國內外學者的重視。

目前，在與RDE相關的研究中，已經開展了如下工作：點火過程[1-2]，燃料和氧化劑的混合效果[3]，內流場結構[4]，不同燃料類型[5-6]，發動機結構尺寸[7]等。Rankin等[8]總結了美國空軍研究實驗室近幾年在RDE的研究中取得的成果，他們利用化學發光儀拍攝了環形燃燒室內的旋轉爆震波，與數值計算得到的結果能較好地吻合，此外，第一次實現了RDE與渦輪的組合，結果證明：在大工況范圍內，這種組合比傳統的燃氣輪機的表現更為突出。Andrus等[9]采用預混氣作為反應物噴入發動機，實驗結果表明預混氣下的旋轉爆震波傳播速度與理論C-J速度值仍存在一定差距，認為這是由于燃燒產物與反應物混合，導致局部當量比與全局當量比存在差異，與非預混噴注下的結果相比，發動機的工作范圍有所減小。除此之外，數值模擬也是在研究RDE時常用的方法。Schwer等[10]，對不同進口總壓和出口背壓下的發動機模型進行數值計算，認為爆震波高度和質量流率由進口總壓決定，并分析了爆震波損失及出口背壓對爆震波影響較小的原因。在部分實驗及數值計算過程中，發現了旋轉爆震波存在不同傳播模態，而部分多波模態有利于提高發動機工作頻率，使推力更加穩定，可見，對傳播模態的研究具有一定意義。Frolov等[11]在大尺寸旋轉爆震燃燒室（外徑為406 mm，環縫寬25 mm）中進行實驗，研究空氣進氣環縫寬度（2、5、15 mm）對旋轉爆震波傳播特性的影響，結果表明：隨著空氣進氣環縫寬度的增加，燃燒室內的爆震波頭數從4個減少到1個，最終轉轉變為軸向振蕩燃燒，此外，還研究了出口阻塞比對發動機推力性能的影響。Fotia等[12]對3種不同燃燒室寬度下的RDE開展實驗，采用氫氣、乙烯2種燃料，分析了不同質量流率和不同當量比下的比沖、推力等參數的變化。劉世杰等[13]在大范圍工況內，對2種不同噴注結構的非預混RDE進行實驗，結合高頻壓力傳感器和高速攝影2種觀測手段，分析了同向（單波、雙波、混合單雙波）傳播模態[13]和雙波對撞傳播模態[14]下旋轉爆震波的特點。

目前，多數學者在實驗中都是著眼于反應物噴注總壓、出口背壓、燃燒室長度或噴管等因素對RDE工作特性的影響，而對氧化劑噴注面積及燃燒室環縫寬度的研究相對較少。因此，本文中將探索不同尺寸下，發動機工作特性的變化，主要分析的觀測結果包括高頻壓力信號、離子信號和高速攝影圖片。

1 實驗系統

采用的實驗系統是自主設計和搭建的，如圖1所示，主要包括控制系統、供氣系統、點火系統、發動機模型、測量與采集系統。

控制系統：由自主開發的時序控制程序實現電磁閥的通斷控制和火花塞狀態的控制。

供氣系統：由高壓氣源和供氣管路組成，供氣管路主要包括減壓閥、電磁閥、限流喉道和管路等。調節減壓閥可以改變氣體的噴注壓力，從而達到改變反應物質量流率的目的；電磁閥用于控制管路的通斷。采用2個獨立的供氣系統分別為發動機和預爆震管供氣。

圖1 實驗系統示意圖Fig. 1 Schematic of the experiment system

點火系統：主要由一根一定長度的預爆震管、火花塞和點火頭組成。預爆震管以氫氣為燃料，氧氣為氧化劑，垂直安裝在發動機外殼上。點火頭在接收到點火信號后，使火花塞在瞬時高壓的作用下放電，產生電火花，電火花點燃混合氣，緩燃波在管子中逐漸加速形成爆震波，爆震波進入發動機，點燃氫氣/空氣混合氣。

發動機模型：圖2（a）是發動機的軸向示意圖，圖中標注了進氣方向及出口“Exit”的位置，并說明了各部分結構和各點的位置。氫氣通過周向均布的180個直徑為0.8 mm的小孔沿軸向噴注，空氣通過寬δ的收斂擴張環縫沿徑向噴注，共采用3種不同尺寸的δ：1、1.5和2 mm。燃燒室采用一端封閉一端開口的圓環形結構，外徑do固定為196 mm，內徑di共有3種不同尺寸：184、176和166 mm，對應的燃燒室環縫寬度w分別為：6、10和15 mm。燃燒室軸向長度L=80 mm。圖2（b）是由高速攝影沿發動機出口拍攝的照片，圖中編號1～4對應于圖2（a）中的編號1～4，5是點P1和I1在周向上重合的位置，6是點P2和I2在周向上重合的位置，其中，4和5在同一直徑上，6和7在同一直徑上，且這2條直徑相互垂直。圖2（a）是沿圖2（b）中的6向垂直于4和5連線的方向觀察得到的，從圖2（a）和2（b）中可直觀地看出發動機各部分結構及測量點、安裝點的位置關系。

圖2 RDE結構Fig. 2 Structure of RDE

測量與采集系統：采用壓阻式傳感器測量氫氣集氣腔、空氣集氣腔和燃燒室內靜壓，2個PCB（型號均為113B24）分別測量燃燒室內瞬時壓力，2個離子探針分別測量燃燒室內火焰信號，這幾路信號均由NI采集卡采集，采樣頻率設置為1 000 000 s-1。此外，利用沿發動機出口同軸布置的高速攝影（CCD）拍攝發動機出口處火焰，采樣幀數設置為25 000 fps，曝光時間設置為39 μs。

2 實驗結果分析

實驗過程中，利用1路氫氣和2路空氣為RDE模型供氣，氫氣減壓閥出口處壓力約為2.45 MPa，質量流率約為11.1 g/s，2路空氣減壓閥出口處壓力都在約3 MPa，總的空氣質量流率約為410.4 g/s，燃料和氧化劑的總質量流率約為421.5 g/s，當量比約為0.927。為防止高溫爆震產物對PCB造成嚴重的熱損傷，將RDE工作時間限制在約0.2 s。下文的p1、p2分別表示P1、P2點的高頻壓力信號，I1、I2分別表示I1、I2點的高頻離子信號，pc表示Pc點的壓力信號，p(H2)、p(air)分別表示氫氣集氣腔、空氣集氣腔內壓力，Φ表示反應物的質量通量，fd是燃燒室內高頻壓力信號經快速傅里葉變換得到的主頻。

表1是9個不同實驗工況及結果。當w=6 mm時，隨著δ由1 mm變化到2 mm，爆震波頭數呈現逐漸減少的趨勢。此外，FFT結果顯示雙波模態時的爆震波主頻最高，其次是四波對撞，而單波的主頻最低，燃燒室內靜壓與主頻大小的變化規律一致。當w=10 mm時，爆震波的傳播過程較復雜，往往混合幾種不同模態。在工況4下，主要以同向雙波模態傳播，同時也存在對撞現象。工況5和工況6的結果相似，同為“單雙波交替/對撞”混合傳播模態，指的是在爆震波傳播過程中有單波和雙波的交替出現，同時也有類似于工況4的對撞現象。FFT結果顯示工況4～6的高頻壓力信號都有2個主頻，增大δ的值，爆震波主頻有下降趨勢，但變化不大。與工況2得到的雙波主頻相比，工況4～6的雙波主頻有所降低，造成這一現象的可能原因是多方面的，其中包括：隨著w值的增大，Φ值相應減小，導致爆震波強度有所減弱；此外，空氣集氣腔內壓力的變化也會導致空氣噴注壓力的變化，在不同噴注條件下得到的結果也不盡相同。當w=15 mm時，3種空氣進氣環縫寬度下，爆震波都以穩定的四波對撞模態傳播，且主頻大小相近。此外，四波對撞傳播模態下，即：工況1、工況7、工況8、工況9，這4種工況的爆震波主頻差異不大，均在4 518～4 699 Hz范圍內變化。從表中得知：在w一定的條件下，隨著δ的逐漸增大，p(H2)基本不變，而p(air)呈現逐漸下降的趨勢，可見，δ增大后，通氣面積增大，導致空氣噴入燃燒室的壓力發生相應的變化，同樣，噴氣速度也會發生變化，這可能是造成這些不同實驗現象的部分原因。

比較δ一致，w不同的工況下，燃燒室內靜壓的大小，發現：隨著w的增大，燃燒室內靜壓pc都是逐漸減小的。分析測量結果發現：在δ一定的條件下，p(air)隨w的增大逐漸下降，使空氣噴注速度及壓力發生變化，且同一質量流率下，增大w的值，反應物質量通量隨之下降，這可能是造成這一現象的部分原因。

表1 實驗參數及結果Table 1 Experimental parameters and results

圖 3中的（a）、（b）、（c）分別是單波模態（SW）、雙波模態（DW）、四波對撞傳播模態（FWC）的示意圖，圖中簡要給出了環形燃燒室及壓力測量點的位置。

圖4是工況3（SW）工況下，p(H2)、p(air)、pc及p1的曲線。開始時，為發動機通冷流，p(H2)、p(air)及pc都處于平穩狀態；待通氣穩定后，觸發點火信號，如圖中“Ignition”所示，經過一段時間的發展，p1出現高頻壓力波動，發動機開始工作，此時，p(H2)、p(air)及pc在高壓爆震波的影響下都有所上升，隨后，發動機進入穩定工作階段，這三路信號均維持在較平穩的狀態。切斷空氣、氫氣供給后，集氣腔壓力和燃燒室內靜壓都逐漸下降，p1逐漸恢復為0。整個工作過程持續的時間Δt約為0.121 s。

圖3 單波、雙波、四波對撞模態示意圖Fig. 3 The diagram of single wave (SW), double wave (DW)and four wave collision (FWC)

圖4 RDE工作過程壓力信號曲線Fig. 4 Curves of pressure signal during RDE working process

2.1 單波傳播模態

圖5是單波傳播模態（工況3）工況下，2 945.24～2 947.24 ms之間p1和p2的曲線。比較曲線相鄰峰值之間的時間間隔Δtsa和Δtsb，發現Δtsa明顯大于Δtsb，再對照圖2（b）中測壓點P1和P2的位置，可以判斷爆震波沿順時針方向旋轉傳播。FFT主頻f3=2 989 Hz，燃燒室中徑da=(do+di)/2=190 mm，根據燃燒室中經計算的爆震波平均傳播速度va3=πdaf3=1 784 m/s。

圖6所示為p1經短時傅里葉變換（short-time Fourier transform，STFT）后的結果。爆震波頻率在2 930 Hz附近較集中，與FFT變換得到的主頻相近，在接近發動機工作尾聲時，頻率呈現逐漸下降的趨勢。

圖5 高頻壓力信號時程曲線Fig. 5 Histories of High frequency pressure signals

圖6 短時傅里葉變換結果Fig. 6 Short-time Fourier transform result

圖7所示為2 945.24～2 947.24 ms之間I1和I2的曲線。I1、I2初始上升點時間間隔大于，離子信號的初始上升點對應于火焰前鋒[15]，根據離子信號測量點I1和I2的位置也可以判斷出爆震波傳播方向為順時針。離子信號的FFT主頻也為2 989 Hz，與壓力信號的結果一致。圖中標記的A和B分別為I1的初始上升點和I1的峰值點，A和B之間的時間差Δtab=0.067 ms。此外，在火焰前鋒循環一個周期內，離子信號曲線既有單波峰，也會出現雙波峰或多個波峰，其中，第一個波峰是由于火焰前鋒面內發生劇烈化學反應，產生大量離子和自由電子，導致燃燒產物離子濃度迅速上升，而隨后出現的多個波峰可能是由于爆震波在燃燒室內反射，反射激波誘導殘余的反應物發生二次燃燒[15]，導致離子濃度再次升高。

圖8所示為發動機全程工作下的I1曲線，此時，I1曲線的峰值最大能達到約7 V。

圖9所示為爆震波循環一個周期內連續的高速攝影圖片，時間分布約為2 945.564～2 945.924 ms，對應于圖7中A點附近某一時刻開始的1個周期內的火焰信號。從圖中可以直觀地看出，環縫內只有1道爆震波，其傳播方向為順時針，與從圖5及圖7中得出的結論一致。相鄰2張圖片中的火焰前鋒轉過的角度 θi3≈42°，由此計算爆震波瞬時傳播速度 vi3=π·0.19·θi3·25 000/360=1 741 m/s，與上述計算得到的 va3相差不大。

圖7 I1，I2點信號時程曲線Fig. 7 Histories of signals at I1 and I2 points

圖8 I1信號全程工作下的過程Fig. 8 The whole working process of I1 signal

圖9 高速攝影圖片Fig. 9 High speed photography

2.2 雙波傳播模態

圖10所示為工況2下，2 916.20～2 918.20 ms之間的壓力曲線p1和p2。可以看出，p1和p2的壓力尖峰時間間隔Δtda和Δtab基本相等，與單波的結果明顯不同。爆震波主頻f2=5 057 Hz，平均傳播速度va2=πdaf2/2 = 1 509 m/s，低于單波模態下的爆震波平均傳播速度va3。這是由于以雙波模態工作的RDE，有2道爆震波同時消耗反應物，對其中一道波而言，發動機同一位置處的新鮮反應物填充時間相對單波模態下更短，因此，化學反應時間相對縮短，燃燒產生的熱量有所下降，導致單波的波速降低。圖5與圖10顯示的都是2 ms內的壓力曲線，但對比2圖發現，后圖中曲線的周期數明顯多于前者。

圖11所示為p1的STFT結果，爆震波頻率在5 127 Hz附近較集中，這一頻率值與FFT結果較接近。在發動機工作初始階段，頻率逐漸上升；而在結束階段，頻率逐漸下降。

圖12所示為2 916.20～2 918.20 ms之間I1和I2的曲線。可以看出，離子信號初始上升點對應的時間間隔與也基本相等。圖中標注的C、D分別是I1的初始上升點和最大值點，二者之間的時間間隔Δtcd= 0.051 ms。離子信號曲線也會出現單波峰或多波峰。

圖13所示為發動機全程工作中I1的曲線，此時，I1的值明顯小于圖8所示單波的值，這也是由于：雙波模態下，對其中一道波而言，新鮮反應物填充時間相對縮短，導致燃燒產生的離子和自由電子數量較少。

圖10 高頻壓力信號時程曲線Fig. 10 Histories of High frequency pressure signals

圖11 短時傅里葉變換結果Fig. 11 Short-time Fourier transform result

圖12 I1，I2點信號時程曲線Fig. 12 Histories of signals at I1 and I2 points

圖13 I1信號全程工作過程Fig. 13 The whole working process of I1 signal

圖14所示為圖12中C點附近某一時刻開始的連續高速攝影圖片。每張圖片中都清晰可見2道爆震波，分別用D1和D2表示。從圖10和12中分辨不出爆震波的傳播方向，但從高速攝影圖片可以清楚看出這2道爆震波均沿順時針方向傳播，且二者呈圓心對稱分布。對其中一道波而言，相鄰2張圖片的火焰前鋒轉過的角度 θi2≈37°，由此計算爆震波瞬時傳播速度 vi2=π·0.19·θi2·25 000/360=1 534 m/s，與上述計算得到的va2相差不大。

2.3 四波對撞傳播模態

圖14 高速攝影圖片Fig. 14 High speed photography

圖15是工況1下，2 833.80～2 835.80 ms之間的壓力曲線p1和p2。圖中標注的E、F、G、H是按時間先后出現的壓力尖峰點，前2個點是p1的尖峰，后2個點是p2的尖峰，其分布特點與上述2個工況下的壓力曲線都存在明顯區別。對比工況1～3的3種不同模態下p1和p2的峰值，發現：四波對撞模態明顯低于單波和雙波模態下的值。這是由于，四波對撞模態下，燃燒室內同時存在4道爆震波，當前一道爆震波傳播過后，消耗掉新鮮反應物，而下一道爆震波很快又傳播至相同的位置，導致新鮮反應物的填充時間相對雙波模態進一步縮短，且對撞會使爆震波強度有所衰減。

圖16所示為高頻壓力信號的STFT結果，可以看出，瞬時頻率在4 639 Hz附近較集中，但其大小不穩定，在一定范圍內變動。同樣，接近發動機工作尾聲，頻率是逐漸下降的。

圖15 高頻壓力信號時程曲線Fig. 15 Histories of High frequency pressure signals

圖16 短時傅里葉變換結果Fig. 16 Short-time Fourier transform result

圖17所示為2 833.80～2 835.80 ms之間的離子信號曲線I1和I2，小圖是大圖方框內曲線的局部放大，圖中標注了E、F、G、H這4點對應時刻的位置。I1在E點和F點處的波動很小，而I2在G點以后逐漸上升。對I2而言，從G點上升至最高點的時間（0.096 ms）與從最高點下降至零點的時間（0.107 ms）基本相等，這與單波、雙波模態有較大區別，后2種模態下，曲線的上升時間明顯短于下降時間。

圖18所示為發動機全程工作下的I1曲線，曲線的峰值變化較大，且分布零散，與單波、雙波模態下的I1相比，此時I1的值最小。關于造成這一現象的原因可參照上文對壓力峰值較小的分析，且對撞后的爆震波強度削弱，導致化學反應強度也隨之減弱。

圖17 I1和I2點信號時程曲線Fig. 17 Histories of signals at I1 and I2 points

圖18 I1全程工作過程Fig. 18 The whole working process of I1 signal

圖19所示為2 834.483～2 834.643 ms之間的連續高速攝影圖片。2 834.523 ms與圖15中E點時刻相近，此時，燃燒室環縫內出現了4道明亮的火焰，分別用F1、F2、F3、F4標出，與示意圖3（c）保持一致，其中，F1和F2沿逆時針方向傳播，F3和F4沿順時針方向傳播。首先，F1傳播至P1點時引起壓力擾動，如圖15中的E點所示，隨著時間推移，這4道波兩兩對撞，即F1和F3，F2和F4對撞，如2 834.563 ms時的圖片所示，“Collision”表示波的對撞。對撞后的透射激波沿各自原來的方向繼續向前傳播，如2 834.603 ms時的圖片所示，F3又傳播至P1點引起圖15中F點處的壓力擾動。隨后，F1傳播至P2點，引起G點處的壓力尖峰。緊接著F1與F4在2 834.683 ms時刻相撞，對撞后的F4又傳播至P2點，引起H點處的壓力波動。發動機全程工作中，不斷重復上述對撞/傳播的過程。對其中任意一道爆震波而言，其循環一個周期，都會在4個位置與方向相反的爆震波發生對撞，圖中出現對撞的時刻約為2 834.563、2 834.683、2 834.763 ms，每次對撞會產生2個沿圓心對稱的對撞點，因此，在一個周期內，共會出現8個對撞點。

2.4 混合傳播模態

圖20所示為工況6下，2 877.30～2 883.50 ms之間的壓力曲線p1和p2。這一時間內，爆震波以單雙波交替的形式傳播，其中，雙波頻率約為4 274 Hz，單波頻率約為2 911 Hz。在爆震波傳播過程中，還伴隨著對撞現象，如圖21所示，圖中p2出現2個緊鄰的壓力尖峰。如圖22所示，依據p1峰值對應的時間間隔計算這幾個周期內爆震波的平均頻率約為3 285 Hz，介于單波、雙波頻率值之間。圖23所示為p1的FFT結果，可以看出，頻率主要集中在3 319 Hz附近，其次，在4 373 Hz左右也較集中，除此之外，還存在其它較高的頻率值，如：2 943 Hz等。此工況下，爆震波的傳播過程較復雜，混合了雙波、單波及對撞幾種不同模態。