2級脈沖爆震發(fā)動機中超聲速射流對撞誘導激波聚焦試驗研究

趙 坤 ，何立明，曾 昊 ，趙晨瑞 ，張勝利，王 浩 ，邱海濤

（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，河北滄州061700；3.中國人民解放軍某部隊，烏魯木齊830075）

0 引言

2級脈沖爆震發(fā)動機（Two-stage Pulses Detonation Engine，2-stage PDE）[1-3]是 1種基于凹面腔內連續(xù)超聲速射流對撞誘導激波聚焦起爆爆震的新型脈沖爆震發(fā)動機，由俄羅斯的科研人員首次提出。2-stage PDE主要由1級預燃裝置和2級激波聚焦起爆爆震裝置2部分組成，具有結構簡單、尺寸小、質量輕、不需要額外起爆裝置和機械閥門及爆震頻率高等優(yōu)點。其工作過程分為2個階段:燃油和空氣混合在1級預燃裝置中富油燃燒，產生大量化學活性高的小分子化合物；小分子化合物與新鮮空氣混合成更易燃的混合氣并在通道中形成環(huán)形超聲速射流，超聲速射流在凹面腔內對撞誘導激波聚焦并起爆爆震。其中，超聲速射流對撞誘導激波聚焦是2-stage PDE中最關鍵的技術環(huán)節(jié)，也是目前研究的重點和難點。

自從俄羅斯的Levin教授[4]帶領的團隊首次在2-stage PDE樣機成功起爆連續(xù)爆震后，國內外學者相繼對2-stage PDE進行了大量研究，并取得了一定研究成果。美國的GE研究中心的Leyva等[5]在2003年對基于冷態(tài)條件下2維凹面腔內超聲速射流對撞進行試驗和數(shù)值模擬，通過分析在不同射流噴管入口寬度和凹面腔出口寬度條件下的試驗和數(shù)值模擬結果，發(fā)現(xiàn)射流摻混現(xiàn)象以及聲學共振現(xiàn)象，但是沒有觀測到激波聚焦，凹面腔底部的壓力脈動幅值也很??；日本的Taki和Fujiwara等[6]通過數(shù)值模擬研究了環(huán)形超聲速射流聚心碰撞誘導激波聚焦起爆爆震的過程，發(fā)現(xiàn)每2次聚焦會產生1次爆震，爆震頻率穩(wěn)定在5 Hz，與凹面腔內溫度相關。國內科研人員也對2-stage PDE相關技術進行大量研究?？哲姽こ檀髮W的何立明團隊相繼開展了暫沖式激波聚焦起爆爆震和連續(xù)超聲速射流對撞誘導激波聚焦起爆爆震的數(shù)值模擬和試驗研究；李海鵬、榮康等[7-8]對凹面腔內激波聚焦起爆爆震進行數(shù)值模擬，分析了激波聚焦起爆爆震的過程；張強等[9]以Brayton循環(huán)和理想爆震循環(huán)為基礎，建立和分析了2級脈沖爆震發(fā)動機的理想熱力循環(huán)；曾昊、榮康等[8，10-12]開展凹面腔、尾噴管、射流噴管結構參數(shù)以及射流參數(shù)對激波聚焦及起爆爆震影響規(guī)律的研究；南京理工大學等的研究人員[13-15]也對2-stage PDE開展了相關研究，并取得了一定成果。但是目前而言，在2-stage PDE樣機中進行連續(xù)超聲速射流對撞誘導激波聚焦的試驗還比較少，樣機的結構參數(shù)和射流參數(shù)對激波聚焦的影響規(guī)律還不夠明確，不利于對2-stage PDE的結構進一步優(yōu)化設計，難以實現(xiàn)連續(xù)爆震。

本文在文獻 [8，11，16]研究的基礎上，利用2-stage PDE試驗系統(tǒng)在冷態(tài)條件下開展連續(xù)超聲速射流對撞誘導激波聚焦的試驗，揭示噴口寬度、導流環(huán)深度、凹面腔開口端與噴口間距、尾噴管角度、射流入射總壓等參數(shù)對激波聚焦的影響。

1 試驗系統(tǒng)

2-Stage PDE激波聚焦起爆爆震試驗系統(tǒng)的實物照片如圖1所示。試驗系統(tǒng)主要包括供氣系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、點火控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)以及原理樣機。其中供氣系統(tǒng)主要包括2臺單螺桿空氣壓縮機、空氣過濾器、干燥機、儲氣罐以及相應的供氣管路。各油路和各氣路流量的控制與顯示和點火器的控制均通過控制臺實現(xiàn)。測量系統(tǒng)主要用于測量燃油及空氣流量、射流進口總壓、凹面腔底部、環(huán)形射流噴管壁面以及測速管內的動態(tài)壓力。其中動態(tài)壓力由CYG41000WX型單晶硅式動態(tài)壓力傳感器測量，通過示波器顯示測量數(shù)據(jù)，其中示波器的采樣頻率為100 kHz，采樣時間為10 s。

凹面腔起爆段是原理樣機的核心部分，其結構如圖2所示。圖中，W為噴口寬度，d為導流環(huán)深度，L為凹面腔開口端與噴口間距，α為尾噴管角度，D為凹面腔開口直徑。在凹面腔底部A點布置動態(tài)壓力傳感器，分別在不同工況條件下進行冷態(tài)試驗并測量A點動態(tài)壓力。

圖1 試驗系統(tǒng)實物

圖2 核心試驗段結構

2 試驗結果與分析

圖3 不同噴口寬度時的峰值壓力

2.1 噴口寬度對激波聚焦的影響

在射流入射總壓 pin=0.73 MPa、d=5 mm、L=0 mm、凹面腔結構方程為x2+y2+z2=272mm2且D=50 mm（凹面腔為直徑27 mm的球形表面，且切面直徑為50 mm）、不安裝尾噴管的條件下，在W=2、3、4、5、6、7.5、8.7、10、12、13.7 mm 時進行試驗，測量凹面腔底部的動態(tài)壓力。在W從2 mm增大到13.7 mm時測得的凹面腔底部峰值壓力對比如圖3所示。從圖中可見，隨著噴口寬度的增大，凹面腔底部峰值壓力整體上逐漸增大，這主要是因為噴口寬度越大，射流的入射強度越大，射流對撞后產生的激波強度越大，凹面腔底部激波聚焦強度越大。當噴口寬度從2 mm增大到13.7 mm時，凹面腔底部峰值壓力的整體變化趨勢為從0.4829 MPa增大到0.6366 MPa，但峰值壓力的增長速度逐漸減小，這是因為雖然噴口寬度增大使射流強度增大，但是同時也會使射流對撞區(qū)域的面積增加，射流對撞時能量逐漸分散，對撞激波強度的增大趨勢逐漸變小，導致激波聚焦強度的增大逐漸變緩。

2.2 導流環(huán)深度對激波聚焦的影響

在 pin=0.71 MPa、W=6 mm、L=0 mm、凹面腔結構方程為x2+y2+z2=372mm2且D=70 mm（凹面腔為直徑37 mm的球形表面，且切面直徑為70 mm）、不安裝尾噴管的條件下，在 d=-11、-7.5、-5、0、2、5、7.5、11、15 mm時進行試驗，測量凹面腔底部的動態(tài)壓力，得到峰值壓力對比如圖4所示。從圖中可見，隨著導流環(huán)深度的逐漸增大，凹面腔底部的峰值壓力逐漸增大。超聲速射流在環(huán)形射流噴管內流動時受到兩側壁面的約束，從噴口噴出后兩側壁面的約束消失，超聲速射流向凹面腔內和外部環(huán)境分散，導致射流對撞時的能量減小。當導流環(huán)深度為負值時，右側壁面對射流的約束作用減弱，射流提前向外部環(huán)境分散，導致射流對撞區(qū)域的能量較小，凹面腔底部激波聚焦的強度較小；而當導流環(huán)深度為正值時，右側壁面對射流的約束作用增強，導流環(huán)深度越大，約束作用越明顯，射流在對撞前分散越少，對撞區(qū)域能量越大，凹面腔底部的激波聚焦強度越大。

圖4 不同導流環(huán)深度時的峰值壓力

2.3 凹面腔開口端與噴口間距對激波聚焦的影響

在 pin=0.72 MPa、W=6 mm、d=5 mm、凹面腔結構方程為x2+y2+z2=272mm2且D=50 mm（凹面腔為直徑27 mm的球形表面，且切面直徑為50 mm）、不安裝尾噴管的條件下，在L=0、2、4、6 mm時進行試驗，測量凹面腔底部的動態(tài)壓力，凹面腔底部峰值壓力的變化曲線如圖5所示。從圖中可見，隨著L的增大，凹面腔底部峰值壓力逐漸增大，但是變化并不明顯。當L在0～6 mm之間變化時，凹面腔底部峰值壓力從0.6045 MPa增大到0.6361 MPa，僅僅增大了0.0296 MPa。根據(jù)榮康等[13]的研究結果，激波入射方向與凹面腔壁面法線方向的夾角越小，在垂直壁面方向入射的激波強度越大。而當L增大時，前導激波運動至凹面腔底部時其入射方向與凹面腔壁面法線的夾角減小，在垂直壁面方向入射的的激波強度增大，導致激波聚焦效果增強，凹面腔底部測得的峰值壓力增大。

圖5 不同凹面腔開口端與噴口間距時的峰值壓力

2.4 尾噴管角度對激波聚焦的影響

在 pin=0.74 MPa、W=6 mm、d=0 mm、L=0 mm、凹面腔結構方程為x2+y2+z2=272且D=50 mm、安裝尾噴管的條件下，在 α=15°、30°、45°時進行試驗，測量凹面腔底部的動態(tài)壓力。凹面腔底部峰值壓力隨尾噴管角度的變化曲線如圖6所示。從圖中可見，隨著α的增大，凹面腔底部峰值壓力逐漸減小。導致這種變化的原因是尾噴管角度增大導致出口面積的增大，射流向噴管外更容易分散，射流對撞區(qū)域的能量減小，凹面腔底部激波聚焦強度減小。同時可見，隨著尾噴管角度從15°增大到30°，凹面腔底部峰值壓力減小幅度很小，只有0.032 MPa。根據(jù)文獻[10]中的分析，凹面腔內起爆的爆震波傳播至尾噴管時，尾噴管獲得較大的沖量，當尾噴管角度從20°增大到 50°時，尾噴管沖量從0.2255 N·s增大到0.8287 N·s?？紤]到增大尾噴管角度能顯著提高尾噴管沖量，其對凹面腔底部壓力峰值的影響則可以忽略不計。

圖6 不同尾噴管角度時的峰值壓力

2.5 射流入射壓力對激波聚焦的影響

在W=6 mm、d=5 mm、L=0 mm、凹面腔結構方程為x2+y2+z2=272且D=50 mm、不安裝尾噴管的條件下，在 pin=0.23、0.39、0.47、0.60、0.75 MPa 時進行試驗，測量凹面腔底部的動態(tài)壓力。凹面腔底部峰值壓力隨pin的變化曲線如圖7所示。從圖中可見，隨著射流入射壓力的增大，凹面腔底部的峰值壓力逐漸增大。射流入射壓力越大，從環(huán)形噴管流出的射流能量越大，射流對撞后產生的對撞激波強度越大，激波聚焦的效果越好，凹面腔底部的峰值壓力越大。

圖7 不同射流入射壓力時的峰值壓力

3 結論

本文在冷態(tài)條件下開展連續(xù)超聲速射流對撞誘導激波聚焦的試驗，揭示噴口寬度、導流環(huán)深度、凹面腔開口端與噴口間距、尾噴管角度、射流入射總壓等參數(shù)對激波聚焦的影響，得出如下結論:

（1）噴口寬度、導流環(huán)深度、凹面腔開口端與噴口間距、射流入射壓力越大，凹面腔底部峰值壓力越大，激波聚焦效果越好；尾噴管角度越大，凹面腔底部峰值壓力越小，激波聚焦效果越差。

（2）噴口寬度、導流環(huán)深度、射流入射壓力對激波聚焦的影響較大，凹面腔開口端與噴口間距、尾噴管角度對激波聚焦的影響較小。合理優(yōu)化2-stage PDE結構尺寸，有利于增強激波聚焦效果并實現(xiàn)連續(xù)爆震。