王 瑋，邱 華，范 瑋，熊 姹，嚴(yán)傳俊

（西北工業(yè)大學(xué) 動(dòng)力與能源學(xué)院，西安 710072）

0 引 言

脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)［1－2］（Pulse Detonation Engine，簡(jiǎn)稱PDE）是一種利用脈沖式爆震波產(chǎn)生推力的新概念發(fā)動(dòng)機(jī)。它具有熱循環(huán)效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)多年研究，PDE在燃料的噴射與混合、穩(wěn)定點(diǎn)火、可靠起爆及爆震過(guò)程的精確控制等關(guān)鍵技術(shù)方面取得了很大突破。近年來(lái)出現(xiàn)了以間歇爆震燃燒取代傳統(tǒng)渦扇／渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)等壓燃燒的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)方式，即脈沖爆震渦輪組合發(fā)動(dòng)機(jī)，由于爆震燃燒波的增壓作用，理論計(jì)算表明該方案發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)性能將大大高于現(xiàn)有傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)。為獲得高性能的脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)前仍有很多關(guān)鍵技術(shù)需要突破，其中最核心的是如何在最短距離獲得充分發(fā)展的爆震波。

爆震波的起爆有直接和間接兩種方式：對(duì)于碳?xì)淙剂希諝饣旌衔?，直接起爆點(diǎn)火能量為兆焦耳級(jí)［3］，與其對(duì)應(yīng)點(diǎn)火設(shè)備的質(zhì)量和體積也很龐大，相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜；間接起爆主要是指采用較低點(diǎn)火能量利用爆燃向爆震轉(zhuǎn)變（Deflagration to Detonation Transition，簡(jiǎn)稱DDT）的起爆方式，這種方式的點(diǎn)火系統(tǒng)簡(jiǎn)單，是目前脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用的起爆方法，由于存在DDT過(guò)程，故爆震室較長(zhǎng)?？s短DDT轉(zhuǎn)變距離的常用方法是在爆震室內(nèi)加各種類(lèi)型的障礙物，如環(huán)狀孔板［4］、Shchelkin螺紋［5］等等，相比于未加障礙物的光管，這種方式大大縮短了DDT距離，然而這離實(shí)際應(yīng)用還有差距。通過(guò)改善障礙物結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步縮短DDT距離，然而由于DDT轉(zhuǎn)變過(guò)程的復(fù)雜性，這種優(yōu)化主要依賴于試驗(yàn)。一般認(rèn)為DDT距離至少大于10倍胞格尺寸，對(duì)于高碳?xì)淙剂希諝饣旌衔铮‘?dāng)比下的胞格尺寸一般在50mm左右［6］，由此可知，DDT距離至少在0.5m 以上，若再考慮點(diǎn)火位置前的燃油噴射摻混段長(zhǎng)度，爆震室軸向長(zhǎng)度仍大于現(xiàn)有航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室長(zhǎng)度。

在DDT轉(zhuǎn)變距離限制的條件下，為縮短爆震室軸向尺寸，可以采用曲管爆震室替代現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外普遍研究的直管爆震室。以美國(guó)海軍研究生院?jiǎn)喂躊DE［7］和GE公司的多管脈沖爆震渦輪組合系統(tǒng)為例［8］，其爆震室軸向長(zhǎng)度均大于0.8m。如圖1左圖所示，可以使單爆震管沿圓周斜向布置，將直管形式改變?yōu)榍苄问剑M(jìn)而滿足實(shí)際應(yīng)用發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)燃燒室尺寸的要求。

圖1 PDE直管爆震室變曲管爆震室方式Fig.1 Bending mode of straight PDE chamber to spiral

對(duì)于曲管中爆震波形成、轉(zhuǎn)變及傳播特性的研究，國(guó)內(nèi)外主要研究如何預(yù)防可燃?xì)怏w在管道爆炸，以及已充分發(fā)展的爆震波在彎曲管道中的傳播特性等，而對(duì)爆燃向爆震的轉(zhuǎn)變特性，則主要在直管中進(jìn)行研究。當(dāng)爆震波在彎管中傳播時(shí)，由于彎管凹壁和凸壁影響，誘導(dǎo)激波與化學(xué)反應(yīng)區(qū)可能發(fā)生分離，從而使爆震波衰減［9］；Thomas等人指出爆震波能否在彎曲管道中傳播與彎管的曲率半徑及管內(nèi)壓力有很大關(guān)系，曲率半徑過(guò)小將導(dǎo)致預(yù)混氣爆震局部熄滅，壓力過(guò)低也會(huì)促使爆震波熄滅［10］，熄滅后也有可能在彎管局部出現(xiàn)二次起爆［11］。以上研究雖未直接涉及曲管中DDT轉(zhuǎn)變特性，但有關(guān)結(jié)論仍可用來(lái)指導(dǎo)彎曲爆震室的設(shè)計(jì)。

筆者主要研究在縮短爆震室軸向長(zhǎng)度的同時(shí)，如何在最短距離內(nèi)獲得充分發(fā)展的爆震波；以及對(duì)曲管爆震室內(nèi)爆震起爆以及爆震波在曲管內(nèi)的傳播性能和螺旋結(jié)構(gòu)基本幾何參數(shù)對(duì)脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響做出初步討論。

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

1.1 螺旋脈沖爆震管冷態(tài)實(shí)驗(yàn)

通過(guò)對(duì)前期直管中采用Shchelkin螺紋障礙物實(shí)現(xiàn)爆燃向爆震轉(zhuǎn)變的研究結(jié)果進(jìn)行分析表明，Shchelkin螺紋障礙物的使用將增大爆震管中冷態(tài)流動(dòng)時(shí)沿程損失，增大沿程損失對(duì)縮短DDT轉(zhuǎn)變距離是有利的，因此對(duì)于其中一種曲管型式——螺旋爆震管，也有可能存在這一規(guī)律，因此有必要測(cè)量不同曲率、撓率下螺旋爆震管的冷態(tài)流阻，這可以為以后數(shù)據(jù)分析及規(guī)律總結(jié)提供一定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)參考。試驗(yàn)過(guò)程中使用同一根金屬軟管（波紋管），長(zhǎng)2000mm，通過(guò)設(shè)計(jì)加工的簡(jiǎn)易彎曲定型架可以實(shí)現(xiàn)不同節(jié)距P和中徑D的螺旋尺寸，表1中給出了實(shí)驗(yàn)中9種不同爆震管的幾何參數(shù)。

表1 實(shí)驗(yàn)中不同爆震管幾何參數(shù)Table1 Geometric parameters of the 9different detonation tubes

其中R、γ分別為管內(nèi)軸線曲率半徑和撓率半徑，采用式（1）和（2）計(jì)算；α為螺旋角度，以弧度為單位，采用式（3）計(jì)算；L為螺旋段軸向長(zhǎng)度。采用總壓探針測(cè)量不同螺旋結(jié)構(gòu)下金屬軟管進(jìn)口和出口總壓，進(jìn)口空氣流量由流量計(jì)測(cè)量，最終可以得出不同螺旋結(jié)構(gòu)下的流阻，總結(jié)出流阻和曲率及撓率的關(guān)系。

1.2 螺旋脈沖爆震管熱態(tài)實(shí)驗(yàn)

不同曲率和撓率下的螺旋結(jié)構(gòu)對(duì)爆震管冷阻特性有影響，同樣地，也會(huì)影響該爆震管中爆燃向爆震轉(zhuǎn)變特性。

圖2是本部分研究的試驗(yàn)裝置原理圖，可以看到由兩部分組成，前部分為混合點(diǎn)火段，后部分為爆震試驗(yàn)段。試驗(yàn)采用高能火花塞放電點(diǎn)火，點(diǎn)火能量為1J。

圖2 試驗(yàn)裝置原理圖Fig.2 Schematic of experimental setup

混合點(diǎn)火段是長(zhǎng)660mm的直管，內(nèi)有Shchelkin螺紋結(jié)構(gòu)，其主要作用是將來(lái)流空氣和燃料混合，經(jīng)火花塞放電點(diǎn)燃后，在Shchelkin螺紋障礙物的作用下，為后部分研究爆震管提供一定壓力和速度的進(jìn)口氣流條件。在混合點(diǎn)火段上有兩個(gè)傳感器安裝位置（P1和P2），P1距推力壁35mm，點(diǎn)火位置在P1和P2之間，距P1位置210mm，P2距點(diǎn)火位置250mm。試驗(yàn)研究過(guò)程中該結(jié)構(gòu)保持不變。爆震試驗(yàn)段為長(zhǎng)2000mm的金屬軟管，沿著爆震管方向在其上布置了5個(gè)傳感器安裝座，P3距軟管左端350mm，距P2位置515mm，P3～P7為等間距布置，間距為350mm，P7位置距離軟管出口335mm。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)簡(jiǎn)易彎曲定型架將金屬軟管安裝成不同截距和中徑的螺旋結(jié)構(gòu)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 冷態(tài)流阻試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖3是金屬軟管在不同幾何尺寸下試驗(yàn)測(cè)量的進(jìn)出口總壓恢復(fù)系數(shù)與來(lái)流空氣流量的數(shù)據(jù)。從圖中可以看到，在相同來(lái)流流量下，直管試驗(yàn)段的總壓恢復(fù)系數(shù)最大，不同結(jié)構(gòu)尺寸的螺旋結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的總壓恢復(fù)系數(shù)也不同。

圖3 爆震管總壓恢復(fù)系數(shù)與來(lái)流空氣流量關(guān)系Fig.3 Total pressure recovery coefficient as a function of inlet mass flow rate

結(jié)合表1，由圖3可見(jiàn)，來(lái)流流量越大，螺旋管總壓恢復(fù)系數(shù)越??；在保持螺旋管中徑不變的情況下，螺旋管流阻隨節(jié)距增大而減?。辉诒３致菪?jié)距不變的情況下，中徑越大螺旋管流阻越大。再者由圖3可見(jiàn)，螺旋2和螺旋4在相同的來(lái)流條件下總壓恢復(fù)系數(shù)相近，螺旋5～8也有類(lèi)似結(jié)果。對(duì)照表1，可以發(fā)現(xiàn)螺旋2和螺旋4撓率接近，螺旋5～8這兩組螺旋結(jié)構(gòu)的曲率半徑相近。可以總結(jié)出在D＜P／π時(shí)撓率半徑相似的螺旋結(jié)構(gòu)流阻相近，發(fā)動(dòng)機(jī)總壓恢復(fù)系數(shù)受撓率影響較大；D＞P／π時(shí)曲率半徑接近螺旋結(jié)構(gòu)流阻相近，總壓恢復(fù)系數(shù)受曲率影響較大。整體上說(shuō)螺旋撓率半徑越大發(fā)動(dòng)機(jī)總壓恢復(fù)系數(shù)越大，流阻越小，但此規(guī)律并不是很明顯，還需要進(jìn)一步研究。

2.2 熱態(tài)爆震試驗(yàn)結(jié)果及分析

發(fā)動(dòng)機(jī)流阻越大，越有利于可爆混合物混合均勻。根據(jù)冷態(tài)流阻實(shí)驗(yàn)，螺旋5、6、7和8四種結(jié)構(gòu)，流阻較大，且在相同來(lái)流條件下流阻相近，故研究表1中螺旋5～8四種結(jié)構(gòu)，這樣在研究螺旋爆震室的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響時(shí)，可以盡量減小流阻的影響。

對(duì)于所有不同結(jié)構(gòu)的爆震試驗(yàn)段，熱態(tài)試驗(yàn)過(guò)程中都供給相同的進(jìn)口空氣流量，約為0.075kg／s，燃油為汽油，當(dāng)量比約在1.1附近，直管發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火頻率為5Hz，螺旋爆震管發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火頻率為2Hz，由于點(diǎn)火間隔時(shí)間較長(zhǎng)，因此可以忽略工作循環(huán)間的影響，即認(rèn)為本實(shí)驗(yàn)是單次試驗(yàn)。

圖4是直管爆震發(fā)動(dòng)機(jī)以5Hz頻率工作時(shí)，壓電式壓力傳感器所采集到的壓力信號(hào)曲線。從圖4中的壓力信號(hào)可以看出在傳感器6位置所得壓力已經(jīng)超過(guò)1.4MPa，傳感器7的位置所得壓力峰值已經(jīng)大于1.6MPa，均接近同等工況下C－J點(diǎn)爆震波壓力（1.86MPa），符合弱爆震壓力特征。

圖5是螺旋1結(jié)構(gòu)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)以2Hz頻率工作時(shí)，壓力傳感器所采集到的壓力信號(hào)。由圖5可見(jiàn)傳感器5位置壓力峰值大于1.4MPa，傳感器6、7位置壓力峰值接近2MPa，即傳感器5位置以后壓力峰值均大于C－J爆震壓力的80%，符合爆震形成壓力特征。

圖4 直管試驗(yàn)所測(cè)得壓力波形圖Fig.4 Experimental pressure profiles of straight PDE

圖5 螺旋5結(jié)構(gòu)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)壓力波形圖Fig.5 Experimental pressure profiles of spiral5PDE

其它3種螺旋結(jié)構(gòu)脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)熱態(tài)試驗(yàn)，同樣可以得到類(lèi)似圖5的壓力曲線，在這里不再重復(fù)。綜合以上結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)螺旋結(jié)構(gòu)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)可以穩(wěn)定、連續(xù)工作。

圖6是5種結(jié)構(gòu)下P4～P7位置的壓力波形圖，由圖6（a）可見(jiàn)，對(duì)于結(jié)構(gòu)為直管的爆震試驗(yàn)段，P4～P6位置的壓力信號(hào)存在較長(zhǎng)的上升沿，壓力階躍出現(xiàn)在P7位置，P7位置壓力峰值為1.6MPa，根據(jù)圖中P6和P7壓力曲線時(shí)間間隔，壓縮波在位置P6和P7間的傳播速度為667m／s，可以認(rèn)為爆震波未在P7位置前形成。由圖6中四種螺旋結(jié)構(gòu)壓力曲線（圖6（b）～（e））可見(jiàn)，各螺旋結(jié)構(gòu)P4位置壓力曲線存在較長(zhǎng)的上升沿，這表明火花放電點(diǎn)火后形成的初始擾動(dòng)或壓縮波傳到了P4位置，另一方面點(diǎn)火產(chǎn)生的初始火焰不斷加速，最終在P5位置前某處迅速形成局部爆炸，爆炸產(chǎn)生的壓縮波向爆震管上游和下游傳播，向下游傳播的壓縮波最終趕上初始火花放電形成的初始擾動(dòng)，從而形成前導(dǎo)激波繼續(xù)向下游傳播，該激波由緊隨其后的火焰前鋒驅(qū)動(dòng)。各螺旋結(jié)構(gòu)P4～P5位置間壓縮波傳播速度在470～570m／s之間，該前導(dǎo)激波傳播速度不斷增加，在P5～P6位置間其平均傳播速度為810～880m／s，基本達(dá)到CJ爆震波傳播速度的一半，同時(shí)P6位置壓力峰值約為2.0MPa，高于CJ壓力，由于試驗(yàn)采用的是空氣和液態(tài)汽油的兩相可爆混合物，可以認(rèn)為P6位置已形成非理想爆震，進(jìn)一步地，該平均波速又繼續(xù)升高到P6～P7位置間的1270～1410m／s。

因此，相比于直管，當(dāng)前試驗(yàn)采用的螺旋結(jié)構(gòu)可以形成爆震，且可以縮短DDT距離，采用螺旋結(jié)構(gòu)后，爆震波形成位置提前到P6處，距點(diǎn)火位置1.73m，爆震管水平長(zhǎng)度縮短了0.78～1.28m。

在不同螺旋結(jié)構(gòu)對(duì)爆震波形成距離的影響方面，從目前的壓力測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析很難發(fā)現(xiàn)當(dāng)前所研究螺旋結(jié)構(gòu)的差異性，但另一方面，可以通過(guò)波的傳播時(shí)間間接研究其差異性。表2給出了圖6試驗(yàn)結(jié)果下相應(yīng)的特征時(shí)間平均值的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其中tdly為點(diǎn)火延遲時(shí)間，定義為圖2中點(diǎn)火位置處火花放電到傳感器P3位置壓力曲線上升到峰值10%的時(shí)間間隔；Δt4，7為波由P4位置傳到P7位置間的時(shí)間間隔，即爆震波形成及傳播時(shí)間。

點(diǎn)火延遲時(shí)間tdly又可細(xì)分為可爆混合物著火時(shí)間、可爆混合物著火形成的初始火核傳播時(shí)間及弱壓力擾動(dòng)傳播時(shí)間，其主要取決于試驗(yàn)器內(nèi)點(diǎn)火前的初始流場(chǎng)，如流速、當(dāng)量比、燃油霧化特性及其分布等等。由于本實(shí)驗(yàn)對(duì)于不同爆震試驗(yàn)段采用的是相同空氣流量及當(dāng)量比，因此對(duì)于點(diǎn)火延遲時(shí)間，不同試驗(yàn)結(jié)構(gòu)引起的最大差異在于爆震管內(nèi)氣流流速，基于圖3及螺旋管曲率影響結(jié)果可知，在相同的流量下爆震管內(nèi)進(jìn)口流速最大的是直管試驗(yàn)段，以下依次為螺旋6、螺旋5、螺旋8和螺旋7。按照理論分析爆震管內(nèi)氣體流速高，則初始火核傳播速度及擾動(dòng)傳播速度快，相應(yīng)的點(diǎn)火延遲時(shí)間應(yīng)該縮短。表2是不同試驗(yàn)段特征時(shí)間的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其中tdly趨勢(shì)與此分析結(jié)果不同，可見(jiàn)在螺旋爆震管研究中不僅需要考慮流速和當(dāng)量比，還應(yīng)考慮燃油霧化和螺旋上下內(nèi)壁面反射等其它因素。

表2 壓力曲線特征時(shí)間平均值Table2 Average characteristic time of pressure profiles

當(dāng)壓力擾動(dòng)及初始低速火焰?zhèn)鞑サ轿恢肞3下游某處時(shí)，爆震管內(nèi)可爆混合物將產(chǎn)生局部爆炸，形成復(fù)雜的激波系，不同爆震管結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的激波系及傳播方式都有很大差異，其最終將影響爆震波形成及傳播時(shí)間，即爆震波形成及傳播時(shí)間Δt4，7反映了爆震管結(jié)構(gòu)的差異，該時(shí)間越短，相應(yīng)的DDT轉(zhuǎn)變時(shí)間越短。由表2可見(jiàn)，相對(duì)于直管螺旋爆震管DDT時(shí)間縮短了0.415～0.589ms不等。

表3對(duì)熱態(tài)爆震實(shí)驗(yàn)中所采用的螺旋爆震管流阻和爆震相關(guān)特征時(shí)間做了大小排序。根據(jù)表3排序結(jié)果可見(jiàn)DDT時(shí)間與冷態(tài)流阻的大小規(guī)律不同。結(jié)合表1可見(jiàn)，DDT時(shí)間隨著螺旋曲率減小而減小。另一方面，由于所有螺旋結(jié)構(gòu)基本都是在P6位置形成爆震波，從降低冷態(tài)流阻、縮短爆震管軸向長(zhǎng)度來(lái)看，螺旋爆震管8是最佳的。

表3 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)大小排序Table3 Order of statistical data

以下部分研究?jī)?nèi)容還不夠完善仍需要繼續(xù)進(jìn)行研究：雖然各結(jié)構(gòu)空氣及供油量相同，螺旋結(jié)構(gòu)DDT轉(zhuǎn)變時(shí)間小于直管結(jié)構(gòu)，但各結(jié)構(gòu)不同測(cè)點(diǎn)位置間的波傳播時(shí)間間隔差異較大，因此有必要對(duì)具體影響因素進(jìn)行深入研究。

3 結(jié) 論

（1）通過(guò)螺旋爆震管冷態(tài)流阻實(shí)驗(yàn)，得到在保持螺旋管中徑不變的情況下，螺旋管流阻隨節(jié)距增大而減?。辉诒３致菪?jié)距不變的情況下，中徑越大螺旋管流阻越大；螺旋爆震管流阻隨撓率半徑增加而減??；

（2）熱態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了螺旋構(gòu)型的爆震管可以穩(wěn)定持續(xù)工作；相對(duì)于直管，螺旋爆震管，可以縮短DDT時(shí)間，減小DDT距離，縮短爆震管水平長(zhǎng)度，進(jìn)一步增強(qiáng)爆震；螺旋爆震管DDT時(shí)間和DDT距離隨著螺旋曲率半徑減小而逐漸減小；

（3）研究結(jié)果表明，存在一種最優(yōu)的螺旋結(jié)構(gòu)在降低流阻的同時(shí)，縮短DDT時(shí)間和距離。比較本文熱態(tài)試驗(yàn)中的四種螺旋結(jié)構(gòu)，從減小DDT時(shí)間和距離，并降低冷態(tài)流阻和縮短爆震管水平長(zhǎng)度而言，螺旋8為最佳結(jié)構(gòu)。

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