煤油燃料旋轉爆轟波起爆與傳播特性實驗研究

李寶星, 王中, 許桂陽， 翁春生, 趙鳳起

(1.西安近代化學研究所， 陜西 西安 710065； 2.南京理工大學 瞬態物理國家重點實驗室， 江蘇 南京 210094)

0 引言

爆轟燃燒具有熱力循環效率高、能量釋放速率快等優點，因此，基于爆轟燃燒方式的發動機受到國內外學者的廣泛關注[1]。其中旋轉爆轟發動機(RDE)通常采用環形燃燒室，燃料和氧化劑從頭部進入燃燒室后，通過點火裝置引爆混合工質，在燃燒室內形成一個或者多個周向傳播的爆轟波，爆轟產物從尾部高速排出產生推力。RDE僅需單次點火即可形成連續旋轉傳播的爆轟波，具有結構緊湊、熱力循環效率高、推重比大等優點。

基于RDE的諸多優點，使其成為國內外研究熱點。俄羅斯Bykovskii等[2-4]采用煤油為燃料，對氣體- 液體(簡稱氣液)兩相旋轉爆轟開展了大量研究工作，發現煤油與空氣組合情況下難以起爆，當氧化劑中氧氣與氮氣的體積比大于1時，燃燒室內才能形成自持傳播的爆轟波；通過速度補償法對燃燒室內流場進行拍攝，獲得氣液兩相旋轉爆轟流場及爆轟波傳播特性。隨后俄羅斯Frolov等[5]采用氫氣、液態丙烷、空氣3組元進行旋轉爆轟實驗，當氫氣、空氣形成自持爆轟后再加入液態丙烷，成功獲得了氣液兩相旋轉爆轟。波蘭Kindracki[6]使用煤油、氫氣和空氣3組元推進劑進行旋轉爆轟實驗，采用高頻壓力傳感器記錄燃燒室內壓力變化，在空氣流量為320 g/s、氫氣10 g/s(小于氫氣與空氣可爆范圍的下限量)、煤油流量為16.5 g/s、當量比(化學當量的空燃比與實際燃燒的空燃比之比)為1.1條件下實現了自持傳播的爆轟波，傳播速度為1 500 m/s. 法國MBDA公司設計出全尺寸氣液兩相RDE，內徑280 mm、外徑350 mm，計劃未來在該發動機上采用氣氫/液氧、碳氫燃料/空氣等推進劑進行地面實驗[7]。關于氣液兩相RDE應用方面，法國計劃將RDE應用于英仙座導彈上作為動力源[8]。

目前國內關于RDE的實驗研究大都集中于氣態燃料，北京大學[9]、清華大學[10]、國防科技大學[11-13]、南京理工大學[14-17]等單位針對爆轟波起爆、傳播模態與穩定以及推力性能等方面開展大量的實驗研究。在氣液兩相旋轉爆轟方面，國防科技大學王迪等[18]對煤油為燃料、富氧空氣或純氧為氧化劑的RDE進行實驗研究后發現，當煤油流量為78 g/s、氧化劑氧含量為81.2%、當量比為1.083時，爆轟波以單波傳播，平均波速為649 m/s；以氧氣為氧化劑時，爆轟波以雙波傳播，平均波速為1 848 m/s；在一定當量比的范圍內，隨著氧含量增加，爆轟波速度逐漸增加。南京理工大學鄭權等[19]對汽油為燃料、富氧空氣為氧化劑的RDE進行實驗研究，獲得不同當量比和不同燃料噴注壓力條件下爆轟波的傳播特性，其中波速為1 022.2～1 171.8 m/s. 南京理工大學李寶星等[20-21]開展了氣液兩相旋轉爆轟數值模擬研究，成功獲得了穩定的氣液兩相旋轉爆轟流場結構。綜上所述，液態燃料實現旋轉爆轟的實驗研究相對較少，與氣態燃料相比，液態燃料RDE的工作條件更為苛刻，在其工作過程中，不僅需要考慮液態燃料的蒸發和霧化、燃料與氧化劑的摻混，還需要考慮燃料本身反應活性、溫度等物理化學性質。

由于液態燃料具有便于存儲、密度比沖高的優點，在工程應用方面具有更廣闊的前景。到目前為止，關于煤油為燃料的旋轉爆轟波起爆與傳播特性尚不清楚，且當空氣中的氧氣質量含量至少為50%時，才能獲得液態煤油為燃料的旋轉爆轟；除此之外，煤油與空氣中增加額外的氫氣才能形成自持傳播的爆轟波。因此，本文擬進一步研究煤油是否能在較低氧含量條件下形成自持傳播的爆轟波。在常溫條件下開展煤油/富氧空氣組合的氣液兩相RDE實驗研究，分析氧化劑中氧含量對氣液兩相爆轟波起爆的影響以及氣液兩相爆轟波的傳播過程，歸納煤油燃料RDE的工作特性，以獲得貧油條件下爆轟波隨當量比的傳播特性。

1 實驗系統介紹

實驗系統如圖1所示，由RDE模型、點火系統、供氣與供油系統、實驗平臺、控制與數據采集系統等5部分組成。

圖1 實驗系統圖Fig.1 Experimental system

1.1 實驗裝置

實驗過程中發動機采用環形燃燒室，燃燒室內外徑分別120 mm和153 mm，長度為240 mm. 在燃燒室上游距離頭部55 mm處外壁齊平安裝4個高頻壓力傳感器PCB1、PCB2、PCB3及PCB4，以PCB1位置定義為0°，從發動機出口方向逆時針方向觀測，4個傳感器分別位于0°、60°、120°和240°，如圖2所示。壓力傳感器采樣頻率設定為500 kHz，上升時間小于等于1.0 μs. 發動機采用切向安裝的氫氣與氧氣微小型脈沖爆轟發動機(PDE)作為點火起爆裝置。

圖2 壓力傳感器與點火裝置的相對位置Fig.2 Relative position of pressure sensor and ignition device

1.2 推進劑供給系統

實驗中采用的空氣、氫氣以及氧氣分別存儲于高壓罐、高壓氫氣瓶和高壓氧氣瓶內。煤油燃料存儲于高壓反應釜內，在高壓氮氣擠壓作用下，通過環形陣列形式分布的噴嘴噴注進入燃燒室；由此，為燃油提供良好的霧化效果，與來流富氧空氣進行預混合。推進劑供給系統分別由高壓氣源、減壓閥、電磁閥、流量計和單向閥等部件組成，可滿足大范圍流量工質的供應需求。在工質供應過程中，通過調節供應管路上的減壓閥出口壓力，來調節推進劑質量流量和當量比。質量流量通過流量計進行監測，推進劑供應時間通過電磁閥進行控制。

1.3 控制與數據采集系統

在實驗過程中，采用自行設計的單片機來控制推進劑的供給時間和點火時間。數據采集系統主要完成推進劑質量流量和燃燒室內高頻壓力信號的實時采集。推進劑質量流量信號通過RS232轉RS485通信由電腦終端記錄，高頻壓力通過信號放大器和模擬/數字(A/D)轉換器處理后由美國國家儀器公司數據采集系統記錄。實驗時序如圖3所示，在實驗過程中首先開啟采集系統；隨后噴注空氣與氧氣，為發動機提供氧化劑(富氧空氣)；達到穩定來流后向點火裝置內噴注氫氣與氧氣，同時向發動機噴注燃料；完成氫氣與氧氣填充后，進行點火；點火裝置內形成初始爆轟波和爆轟產物進入環形燃燒室內引燃預混燃料。發動機的有效工作時間由實際工況決定，熄火時關閉燃料和氧氣，并持續噴注空氣數秒。

圖3 液態燃料旋轉爆轟實驗控制時序Fig.3 Control sequence of liquid fuel rotating detonation experiment

2 實驗結果與分析

2.1 起爆分析

當煤油質量流量為102.0 g/s、空氣質量流量為993.0 g/s、氧氣質量流量為206.5 g/s時，當量比為0.79，氧化劑中氧含量為36.3%，稱為工況1. 點火后，燃燒室內高頻壓力時程曲線如圖4所示。壓力波動甚小，點火裝置內產生的初始爆轟波進入燃燒室后并沒有形成連續旋轉爆轟波，反應物卻一直以緩燃形式燃燒，此時發動機起爆失敗。這是因為在實驗過程中：一方面由于燃料和氧化劑在受限空間內摻混不均勻;另一方面煤油的可爆性相對較低，當氧化劑中氧含量為36.3%時，混合物的反應活性偏低，導致初始爆轟波進入燃燒室后沒有得到增強，難以形成自持傳播的爆轟波。

圖4 工況1下燃燒室內壓力時程曲線Fig.4 In-combustor pressure curves under operating condition 1

進一步實驗發現，當其他質量流量不變、空氣質量流量減小到773.8 g/s時，當量比為0.90，富氧空氣中氧氣質量含量為39.2%，稱為工況2，此時爆轟波成功起爆。點火初期燃燒室內高頻壓力時程曲線如圖5所示，點火起爆裝置內產生的初始爆轟波在917.4 ms進入燃燒室，壓力峰值約為0.45 MPa，依次經過PCB1、PCB2、PCB3和PCB4位置。隨后并沒有直接形成旋轉爆轟波，而是需要經過一個復雜的過渡階段，在環形燃燒室曲率、摩擦和噴注燃料引起的湍流等作用下，燃燒波的火焰面與未燃反應物之間的接觸面積和擴散速率迅速增加，提高了化學反應速率和能量釋放速率，從而加速火焰，同時產生壓縮波。壓縮波相互追趕疊加，形成強烈的沖擊波，沖擊波壓縮新鮮的反應物，進一步加強燃燒。此時壓力峰值的分布由疏到密且數值逐漸增大，隨后產生一系列壓縮波系逐漸匯合增強，最終在932.2 ms形成自持傳播的爆轟波，在燃燒室內形成旋轉爆轟波所需要的過渡時間約為14.8 ms. 當煤油的質量流量為90.8 g/s時，空氣質量流量進一步減少為481.5 g/s，氧氣質量流量為206.5 g/s，當量比為0.98，氧化劑中氧含量為46.1%，此時稱為工況3. 工況3條件下的點火初期燃燒室內壓力時程曲線如圖6所示，壓力曲線的振蕩規律與工況2條件類似，同樣成功實現爆轟波的起。此時，燃燒室內形成旋轉爆轟波所需的過渡時間約為7.2 ms，主要是由于氧化劑中氧含量提高，煤油與富氧空氣混合物反應活性大大提高，加快了彼此之間的化學反應速率，從而促進旋轉爆轟波在燃燒室內的快速形成。

圖6 工況3下點火初期燃燒室內壓力時程曲線Fig.6 In-combustor pressure curves at initial ignitionstage under operating condition 3

2.2 爆轟波傳播過程分析

由于傳感器受到高溫爆轟產物的影響，測試的原始電壓信號發生了溫度漂移現象，為消除漂移、便于分析，對原始信號進行高通濾波處理[11]。工況2和工況3條件下獲得的原始壓力信號通過高通濾波后，全局壓力曲線分別如圖7(a)和圖7(b)所示。

為了分析爆轟波的具體傳播情況，將工況2和工況3條件下所獲的壓力曲線放大，如圖7(c)和圖7(d)所示。其中圖7(c)所示的壓力波形時序為PCB1→(PCB2=PCB4)→PCB3→PCB3→(PCB2=PCB4)→PCB1，表示爆轟波先經過PCB1位置后，同時經過PCB2和PCB4位置，隨后兩次經過PCB3位置，再同時經過PCB2和PCB4后，最后經過PCB1. 該過程中，每相鄰的兩個較高PCB1壓力峰值之間存在兩個PCB2、兩個PCB3和兩個PBC4的壓力峰值，由此可以判斷爆轟波以典型的雙波對撞模態在燃燒室內傳播，對應的爆轟波傳播示意圖如圖7(e)所示。相向的兩個爆轟波在對撞點150°位置處發生碰撞后，分別透射到彼此的波后爆轟產物中并轉變成透射激波，兩個透射激波在新鮮燃料的支持下逐漸形成爆轟波，隨后在對撞點330°位置處發生碰撞。圖7(d)中壓力波形所呈現的振蕩規律與圖7(c)中類似，但此時，在時序上PCB2和PCB3處的壓力波形變化一致。由此表明在工況3條件下，爆轟波仍以雙波對撞模態工況，但對撞點位于90°和270°附近，此時的爆轟波傳播示意圖如圖7(f)所示。

圖7 高頻壓力時程曲線及爆轟波傳播示意圖Fig.7 High frequency pressure-time curves and detonation wave propagation diagrams

為進一步分析爆轟波的傳播特性，對工況2和工況3條件下的PCB2高頻壓力信號進行頻域分析。通過快速傅里葉變換(FFT)得到兩工況高頻壓力信號的功率譜密度隨頻率分布如圖8所示，振蕩主頻分布范圍分別為1.713～1.887 kHz和1.810～1.847 kHz，獲得的最大一次主頻分別為1.757 kHz和1.859 kHz. 由此可見，工況3獲得的主頻分布情況比工況2的更為集中，表明工況3條件下爆轟波傳播的穩定性要高于工況2.

圖8 不同工況下高頻壓力曲線頻域結果Fig.8 Frequency domain results of high frequency pressure curves under different operating conditions

為確認爆轟波的傳播特性，基于PCB2的高頻壓力信號求得的爆轟波傳播頻率和速度隨時間分布，如圖9所示。工況2條件下的平均傳播頻率和平均傳播速度分別為1.750 kHz和840.7 m/s；工況3條件下的平均傳播頻率和平均傳播速度分別為1.861 kHz和894.1 m/s. 兩工況下，通過時域所獲得的平均頻率分別為1.750 kHz和1.861 kHz，與頻域結果1.757 kHz和1.859 kHz吻合較好。如時域結果所示，與工況2相比，工況3所獲得頻率和速度分布更為集中，從而進一步印證了工況3下爆轟波傳播更為穩定。

2.3 發動機工作特性分析

在本文實驗裝置下，給出不同工況條件下煤油燃料RDE的工作特性(爆轟形式和緩燃形式)，如圖10(a)所示。從圖10中可以看出，當煤油的質量流量qm，f為102 g/s，氧氣質量流量qm，O2為207 g/s時，隨著空氣質量流量的增加，發動機的工作形式發生改變，當空氣質量流量增加至822 g/s以上，發動機基本以緩燃的形式工作；當煤油的質量流量qm，f為91 g/s，氧氣質量流量qm，O2為207 g/s，且空氣質量流量在低于822 g/s的條件下，發動機均以爆轟形式工作。可能是一方面由于來流空氣質量流量過大，噴注速度較快，混合物摻混效果差，在相同的點火條件下，難以形成自持傳播的爆轟波；另一方面，由于混合物中氧含量相對較低，導致反應活性偏低，爆轟波起爆困難。隨著空氣質量流量的減小，來流對爆轟波初始形成過程影響減弱、氧含量提高，并能夠滿足爆轟波自持傳播條件，爆轟波均以雙波對撞模態傳播。不同當量比條件下爆轟波的傳播速度如圖10(b)所示，在貧油條件下，隨著當量比增加，爆轟波速度呈增加趨勢，但速度均偏低。

圖9 不同工況條件下根據PCB2求得的爆轟波傳播頻率和速度隨時間分布Fig.9 Distributions of detonation wave propagation frequency and velocity acquired by PCB2 over time under different operating conditions

圖10 發動機工作特性和爆轟波速度隨當量比分布情況Fig.10 Distributions of engine working characteristics and detonation wave velocity with equivalence ratio

雙波對撞傳播模態的形成條件及速度虧損原因分析如下：燃燒室內能夠快速建立一定高度的預混燃料層，并且雙波對撞后的透射激波保持足夠的強度，能夠快速誘導混合物再次增強為爆轟波，為實現雙波對撞傳播模態的關鍵[11]。爆轟波以雙波對撞模態傳播過程中，可能由于每個周期內對撞后，引起燃燒室內局部壓力高低差異顯著，從而影響了燃料和氧化劑的噴注過程，進而影響了預混燃料層建立位置，導致爆轟波的對撞點也會發生變化；燃料與氧化劑的摻混效果不均，實驗裝置的加工和安裝偏差導致的外部不穩定也可能是引起雙波對撞的因素。整個雙波對撞過程屬于“爆轟解耦- 快速起爆- 爆轟加強”過程，平均傳播速度偏低，受到燃燒室壁面、曲率、燃料的霧化與摻混、反應物活性、側向膨脹等影響，導致爆轟波速度的虧損十分嚴重。

3 結論

本文在不同工況條件下開展了煤油與富氧空氣組合的RDE實驗研究，常溫下成功實現了氣液兩相旋轉爆轟的起爆與自持傳播，得到主要結論如下：

1)在給定實驗裝置中，氧化劑中氧含量為36.3%時，爆轟波無法成功起爆，直至氧含量增加到39.2%，才能形成自持傳播的爆轟波；煤油燃點高，不易揮發和燃燒，活性相對較低，導致其可爆性較差，需通過增加氧含量，提高反應物活性，方能起爆。

2)在給定實驗裝置中，氣液兩相爆轟波成功起爆后均以雙波對撞模態傳播，整個雙波對撞過程屬于爆轟解耦- 快速起爆- 爆轟加強過程，平均傳播速度偏低，波速分布在815～920 m/s范圍內。

3)給出了發動機的工作特性，當空氣的質量流量大于822 g/s時，發動機基本以緩燃形式工作；隨著空氣質量流量的減小，來流對爆轟波初始形成過程影響減弱，同時混合物氧含量提高，能夠滿足爆轟波自持傳播條件；在貧油條件下，隨著當量比增加，爆轟波的傳播速度呈增加趨勢。