張 群，范 瑋，袁 成，彭暢新，陳文娟

（1.西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，陜西 西安，710072；2.中國(guó)航空工業(yè)發(fā)展研究中心，北京，100012）

脈沖爆轟燃燒（PDC）是一種高強(qiáng)度、高效率、低污染的燃燒方式，這種新型燃燒方式在能源、動(dòng)力、化工、加工等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。它可用于發(fā)電用的高效煤燃燒器及高效天然氣燃燒器、陶瓷生產(chǎn)用的先進(jìn)材料合成技術(shù)、提高材料耐磨耐高溫的熱噴涂技術(shù)、城市垃圾的先進(jìn)處理技術(shù)、磁流體發(fā)電技術(shù)、強(qiáng)噪聲發(fā)生器以及空天推進(jìn)的脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)等[1-2]。

由于受到目前計(jì)算機(jī)能力及化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的限制，在矩形管中開(kāi)展爆轟模擬難度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于圓管爆轟[3-4]；而在實(shí)驗(yàn)研究中，由于矩形管幾何條件引起氣動(dòng)不均勻性、散熱不均勻性以及十分復(fù)雜的波動(dòng)反射現(xiàn)象，使得爆轟的起爆與傳播就更加困難，如果采用液態(tài)燃料進(jìn)行兩相爆轟，難度更大。因此，目前對(duì)絕大多數(shù)脈沖爆轟研究都是針對(duì)推進(jìn)裝置在圓管中進(jìn)行的，而矩形管爆轟研究幾乎都是采用氣態(tài)混合物進(jìn)行的單次爆轟[5-6]。然而，在用作并聯(lián)推進(jìn)裝置或其他燃?xì)馍善鲿r(shí)，圓形爆轟管具有面積利用率低及能量密度分布不均勻等缺點(diǎn)，因此工程上迫切需要發(fā)展矩形截面爆轟管。當(dāng)爆轟波在矩形管中起爆傳播時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生極為復(fù)雜的各向異性流動(dòng)與波動(dòng)現(xiàn)象，因此，開(kāi)展矩形管內(nèi)兩相脈沖爆轟研究不僅具有重要的學(xué)術(shù)意義，也具有顯著的工程價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

矩形兩相脈沖爆轟實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示，由供油系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、爆轟點(diǎn)火及頻率控制系統(tǒng)、爆轟管、壓力測(cè)量系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。

圖1 矩形兩相脈沖爆轟實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Experimental setup of two-phase pulse detonation in a rectangular tube

爆轟管由頭部進(jìn)氣段、混合段、點(diǎn)火段、爆轟段和出口段組成。爆轟管頭部封閉，尾端敞口，截面尺寸為68mm×51mm，長(zhǎng)寬比為4∶3，總長(zhǎng)2 300mm，由普通碳鋼加工而成，在混合段、點(diǎn)火段及爆轟段內(nèi)部安裝了矩形環(huán)狀擾流片用來(lái)促進(jìn)爆轟的形成。在頭部進(jìn)氣段，燃油采用離心式噴嘴噴入，空氣采用切向進(jìn)氣方式；在點(diǎn)火段側(cè)壁面處安裝火花塞，由頻率在1～100Hz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的爆轟點(diǎn)火及頻率控制系統(tǒng)控制起爆，火花塞點(diǎn)火能量為50mJ。實(shí)驗(yàn)采用汽油為燃料，壓縮空氣為氧化劑，供氣、供油由相應(yīng)的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門控制，供油量、供氣量由渦輪流量計(jì)測(cè)定。在距離點(diǎn)火器856mm、1 056mm、1 170mm、1 265mm、1 453mm、1 553mm的爆轟段和出口段上安裝了6個(gè)壓電晶體式壓力傳感器，分別定義為P1～P6，用以監(jiān)測(cè)爆轟管內(nèi)的壓力變化和爆轟形成的過(guò)程。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2（a）～（e）分別是在頻率為6Hz、8Hz、10Hz、12Hz和15Hz時(shí)測(cè)得的爆轟管內(nèi)燃?xì)鈮毫Σㄐ螆D，從圖中可見(jiàn)，在上述各工作頻率下，爆轟管上各測(cè)點(diǎn)測(cè)得的壓力波形均勻，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的爆轟管工作穩(wěn)定。

圖2 不同頻率下各測(cè)點(diǎn)測(cè)得的燃?xì)鈮毫Σㄐ螆DFig.2 Pressure histories of different positions at various detonation frequencies

圖3為不同頻率下平均峰值壓力隨軸向距離的變化。從圖3中可見(jiàn)，在各不同頻率下，平均峰值壓力先隨著軸向距離的增大而逐漸增大，其中在P3位置處壓力增加最為迅速，在P4位置處平均峰值壓力達(dá)到最大，此后在P5、P6位置處燃?xì)鈮毫ρ杆俳档?。圖3中，在P4位置處，當(dāng)頻率為6Hz和8Hz時(shí)，燃?xì)馄骄逯祲毫Ψ謩e為1.88MPa和1.78MPa，達(dá)到或接近汽油/空氣的理論爆轟壓力值1.86MPa，說(shuō)明在本實(shí)驗(yàn)條件下已經(jīng)形成了充分發(fā)展的脈沖爆轟波，這同時(shí)也表明本實(shí)驗(yàn)條件下爆燃向爆轟轉(zhuǎn)變距離在1 170～1 265mm之間。當(dāng)爆轟頻率分別為6Hz、8Hz、10Hz、12Hz和15Hz時(shí)，P5位置處的燃?xì)馄骄逯祲毫Ψ謩e為0.92 MPa、0.90 MPa、0.89 MPa、0.81 MPa和0.66 MPa，相比P4位置處的燃?xì)鈮毫︼@著降低，這是由于P5、P6位于噴管出口段，其內(nèi)部未安裝矩形環(huán)狀擾流片，因此該位置氣流湍流程度減弱，化學(xué)反應(yīng)速率降低，燃燒反應(yīng)所釋放的能量不足以支持爆轟波的傳播，因此導(dǎo)致爆轟波強(qiáng)度減弱。由此可見(jiàn)，爆轟管內(nèi)安裝強(qiáng)化湍流的擾流裝置對(duì)于爆轟波的形成以及自持傳播具有重要的促進(jìn)作用，即使已經(jīng)形成了充分發(fā)展的自持爆轟波，一旦缺少促進(jìn)火焰加速的擾流裝置，爆轟波將會(huì)衰減。

圖4為P4位置處爆轟波平均峰值壓力隨爆轟頻率的變化。

圖3 不同頻率下平均峰值壓力隨軸向距離的變化Fig.3 The variation of average peak pressures with the axis position

圖4 測(cè)點(diǎn)4處平均峰值壓力隨爆轟頻率的變化Fig.4 The variation of average peak pressures at the position of P4 with frequency

從圖4中可見(jiàn)，當(dāng)爆轟頻率分別6Hz、8Hz、10Hz、12Hz和15Hz時(shí)，在P4位置處測(cè)得的爆轟波平均峰值壓力分別為1.88MPa、1.78MPa、1.53MPa、1.41MPa和1.26MPa。可以看出，隨著爆轟頻率的增加，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的爆轟波平均峰值壓力逐漸減小，除了6Hz及8Hz兩種較低頻率工況外，在工作頻率為10Hz、12Hz和15Hz時(shí)，所測(cè)得的燃?xì)馄骄逯祲毫陀诶碚摫Z壓力值，然而又遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于快速火焰的燃?xì)鈮毫Γㄒ话阈∮?.5MPa），說(shuō)明形成了強(qiáng)度較弱的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)爆轟波。一般來(lái)說(shuō)，油氣比一定時(shí)，爆轟波峰值壓力為一定值，但這是基于單次氣相爆轟而言的，在單次爆轟中，爆轟管內(nèi)為預(yù)填充的靜止可爆均勻混氣，爆轟過(guò)程不受氣流條件的影響。而在多次脈沖爆轟中，一次爆轟過(guò)程要受到前后爆轟過(guò)程的影響，且隨著爆轟頻率的變化，爆轟管內(nèi)的氣流條件也相應(yīng)變化。當(dāng)爆轟頻率增大時(shí)，供油、供氣速度相應(yīng)增大，液態(tài)汽油霧化條件改善，湍流度增大，對(duì)爆轟形成有利；但另一方面，隨著爆轟頻率的增大，氣流速度相應(yīng)增大，爆轟循環(huán)周期變短，汽油霧化、蒸發(fā)與混合時(shí)間也相應(yīng)變短，使得在油氣條件尚未準(zhǔn)備充分時(shí)，就開(kāi)始了爆轟過(guò)程，從而在爆轟過(guò)程中，擴(kuò)散反應(yīng)的比例變大，預(yù)混反應(yīng)的比例變小，并由此引起反應(yīng)不完全及反應(yīng)速度變慢，并最終對(duì)爆轟形成產(chǎn)生較大的負(fù)面影響。此外，由于理論爆轟壓力值是針對(duì)氣相汽油與空氣混合物的計(jì)算結(jié)果，而實(shí)驗(yàn)中汽油是液態(tài)的，汽油蒸發(fā)時(shí)吸收汽化潛熱也會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)值比理論計(jì)算值低。

圖5為圖2（a）中P4位置處的第5個(gè)爆轟壓力波形沿時(shí)間方向的展開(kāi)圖，由圖5可見(jiàn)，壓力波上升過(guò)程極為迅速，為微秒量級(jí)，爆轟波峰值壓力達(dá)到了2.04MPa，這進(jìn)一步說(shuō)明在本實(shí)驗(yàn)條件下已經(jīng)形成了充分發(fā)展的爆轟波。

圖5 圖2（a）中P4位置處的第5個(gè)壓力波形展開(kāi)圖Fig.5 Pressure history of the fifth wave at the position of P4 in Fig.2(a)

圖6為實(shí)驗(yàn)中拍攝的矩形爆轟管出口火焰照片。從圖中可見(jiàn)，在爆轟管出口處，爆轟波退化為主激波從管口排出；隨著主激波繼續(xù)向下游傳播，在主激波后的區(qū)域又形成了第2道激波（二次激波）。圖中清晰地顯示了由于激波而引起的氣流密度的急劇變化，這為前面的數(shù)值模擬結(jié)果[7]提供了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖6 矩形爆轟管出口火焰照片F(xiàn)ig.6 The photo of flame at the exit of the rectangular tube

3 結(jié)論

（1）成功進(jìn)行了以汽油為燃料、以空氣為氧化劑的矩形管兩相脈沖爆轟原理性實(shí)驗(yàn)，所測(cè)量的爆轟波壓力接近充分發(fā)展的爆轟波，爆轟管最高工作頻率達(dá)到15Hz。

（2）爆轟管內(nèi)安裝強(qiáng)化湍流的擾流裝置對(duì)于爆轟波的形成以及自持傳播具有重要的促進(jìn)作用，即使已經(jīng)形成了充分發(fā)展的自持爆轟波，一旦缺少促進(jìn)火焰加速的擾流裝置，爆轟波將會(huì)衰減。

（3）隨著爆轟頻率的增加，液態(tài)燃油的霧化、蒸發(fā)與混合時(shí)間相應(yīng)變短，引起反應(yīng)不完全及反應(yīng)速度變慢，導(dǎo)致平均爆轟波峰值壓力逐漸減小。

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