邱 華 ,嚴傳俊 ,熊 姹

(西北工業(yè)大學能源與動力學院西安 710072)

0 引 言

脈沖爆震發(fā)動機(Pulse Detonation Engine,簡稱PDE)是一種利用間歇式或脈沖式爆震波產(chǎn)生推力的新概念發(fā)動機,其以特殊的結構和工作原理,提供了相對傳統(tǒng)發(fā)動機不能提供的優(yōu)越特性。然而脈沖爆震發(fā)動機非定常的工作特點決定其進氣系統(tǒng)工作的非穩(wěn)態(tài)特性,爆震室壓力的周期振蕩必然會影響發(fā)動機的正常進氣過程,Ma等人[1]對美國海軍研究生院無閥吸氣式脈沖爆震發(fā)動機[2]進行仿真計算表明,發(fā)動機起爆后壓力波向上游回傳,最終破壞穩(wěn)態(tài)進氣時上游建立的結尾正激波,即模擬來流條件被破壞;法國Dominique等人[3]對其單管吸氣式PDE試驗件進行了試驗研究,其采用紋影系統(tǒng)觀測了發(fā)動機進口氣流變化,試驗發(fā)現(xiàn)當點火起爆后,壓力波會從發(fā)動機進口傳出。為有效隔離爆震室壓力脈動對進氣道的影響,出現(xiàn)了各種氣動閥結構,如超聲速隔離型氣動閥[2]、中心錐型氣動閥[4]、雙軸向旋流加直流氣動閥[5]及迷宮型氣動閥[6]。需要指出的是,當前氣動閥結構形式仍不成熟,當發(fā)動機采用氣動閥進氣形式時,壓力波回傳對進氣道影響要遠遠高于預期。為實驗研究各種氣動閥在高反壓作用下的實際工作特性,建立了一套針對氣動閥的基礎試驗器,通過流動顯示及壓力測量研究了熱態(tài)試驗下爆震室點火后孔板型氣動閥結構的氣動特性,基于數(shù)據(jù)分析得到了氣動閥的若干工作特點,為脈沖爆震發(fā)動機氣動閥的設計提供了指導依據(jù)。

1 試驗設備及測量方法

試驗在如圖1所示的60×60mm的方形管中進行,試驗裝置由進氣混合段和點火爆震段組成,其中進氣混合段長715mm,點火爆震段長1915mm,全長2630mm,增爆裝置為同底面間隔100mm的10×10×60mm條形障礙物,上下底面交錯布置。該試驗器兩側面(圖1中上圖)為觀察窗安裝位置。來流空氣經(jīng)φ 70mm柔性管,通過圓變方部件整流,由圖1中左側向試驗器供給空氣。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic of experimental setup

試驗采用自適應供油方式,以汽油為燃料,燃油霧化采用圖2所示改進的錐面軸向噴射氣動霧化噴嘴,燃油從試驗器上端面噴油點位置引入,加壓空氣從下端面噴油點位置引入,來流經(jīng)前錐進行導流,燃油噴射點距點火位置240mm。

圖2 改進后的氣動霧化噴嘴結構Fig.2 Improved air-assisted atomizer

傳感器安裝在試驗器上表面沿流動方向均布,間隔100mm。實驗使用的傳感器測量位置如圖1下圖所示,進氣混合段裝有5個壓阻式壓力傳感器(P1～P5),自振頻率可以達到1MHz;點火爆震段使用了兩個傳感器安裝位置,分別是第13和18兩個位置(P6、P7),P7位置距點火位置1.6m,該位置裝有壓電式壓力傳感器,用于判定爆震波的形成并進而選擇工作狀況。

流場觀察采用高速陰影系統(tǒng),陰影系統(tǒng)的主球面反射鏡直徑300mm,焦距3000mm,光源采用500W氙燈。實驗中采用的高速攝像機為PhantomV7.2,最大像素為800×600,該像素下拍攝速率最大為6680fps,調整像素大小則可以改變最大拍攝速率,系統(tǒng)最大拍攝速率為200000fps。曝光時間可調,最小2μ s,給出的時刻都是在曝光積分結束的時刻。

2 孔板型氣動閥試驗研究

2.1 64×φ 5mm孔板試驗研究

光學試驗在如下工作狀態(tài)下進行：連續(xù)供油供氣,供油量5.0ml/s,空氣量128kg/h,工作頻率4Hz,60mm×60mm方形孔板位于進氣混合段3和4位置之間,其上均布64個孔徑為5mm的通孔。圖3給出了頭部進氣流場的陰影圖,其中采集時刻T為點火觸發(fā)時刻,圖片左端為進氣端,右邊為爆震室,圖中右側三角形為霧化噴嘴的錐體。

從圖3中可以觀察到,在試驗器點火 12.7ms后,由于混合物點火爆炸引起的前傳壓力波動,觀察段右端開始出現(xiàn)向左流動的黑色氣團(應為油霧團),此氣團的反向流動速度約為50m/s(根據(jù)幀間流場差異計算),并在點火后 15.8ms開始穿越孔板;1ms后,觀察段右端出現(xiàn)明亮燃燒火焰,其沿黑色氣團向上游傳播,并加速了黑色氣團向上游流動的速度,火焰?zhèn)鞑ニ俣仍诳装迩凹s為140m/s,火焰通過孔板后其傳播速度上升到250m/s,其亮度也大大增強(圖中18.6ms時),并迅速擴充到整個觀察段,此后氣流始終向上游流動,直到點火后22.8ms時,氣流開始向下游流動,在點火后25ms左右,觀察段出現(xiàn)由左向右傳播的壓力波束,這加速了氣流正向流動的速度。需要指出的是在47.4ms時,觀察段右側出現(xiàn)向左飛射的燃油小顆粒,同時右端附近有灰色氣團開始向上游流動短暫時間,主要是因為試驗器向外排除燃燒產(chǎn)物造成其內(nèi)氣體過渡膨脹,從而在出口產(chǎn)生由試驗器下游向上游傳播的壓縮波,最終導致觀察段右端灰色氣團的脈動流動。

圖4給出了試驗器7個不同位置測量的壓力曲線,最后一個壓力傳感器 P7的壓力峰值達到了7MPa,其上升沿大約為10μ s,說明此時已經(jīng)產(chǎn)生了充分發(fā)展的爆震波。從壓力曲線可以看到,一個點火爆震過程存在5個壓力波動方向,火花塞點火之后,在火花塞下游某位置生成局部爆炸,產(chǎn)生同時向上游(沿虛線1)和下游(沿虛線2)傳播的兩組壓力波束,向下游傳播的壓力波束,經(jīng)障礙物及燃燒放熱最終轉變?yōu)楸鸩◤脑囼炂鞒隹趥鞒觥５?個壓力波動(沿虛線3)首先出現(xiàn)在壓力測點P4和P5之間,其向上下游傳播,當該波動經(jīng)過測量位置后,壓力曲線變化趨于平坦,P1位置平臺壓力為0.19MPa。此后在18.5ms時P1～P3位置出現(xiàn)劇烈的壓力波動,P1位置壓力峰值達到0.42MPa,該壓力波束沿虛線4向下游傳播。最后一次壓力波動出現(xiàn)在25ms左右,其沿虛線5從試驗器上游向下游傳播。

圖3 64×φ 5mm孔板試驗陰影圖(左側為試驗器進口)Fig.3 Shadow image of 64×φ 5mm porous plate(inlet on left)

圖4 64×φ 5mm孔板試驗壓力曲線Fig.4 Pressure history of 64×φ 5mm porous plate

為進一步了解孔板氣動閥的工作特性,圖5給出了在同一工況下進氣混合段自發(fā)光高速攝影圖像,其右側為試驗器進口。從前2幅圖像可以看到,局部爆炸首先出現(xiàn)在噴油嘴前錐附近,并產(chǎn)生向上下游傳播的藍色火焰,在此火焰?zhèn)鞑サ倪^程中,藍色火焰面內(nèi)出現(xiàn)了一些亮度很強的紅色燃燒區(qū),火焰面藍色區(qū)域應該是大分子氧化階段,溫度在1100K以下,而后面明亮的火焰區(qū)才是最終形成CO2和H2O的高溫反應區(qū)。隨著紅色火焰面逐漸增強,藍色火焰消失,最終在前傳藍色火焰下游形成向上游傳播的高亮度紅色火焰;當紅色火焰穿越孔板時,孔板擔當起射流點火的作用,藍色火焰開始進一步放熱燃燒,即圖5中第5和6圖對應時間段,最終整個觀察段內(nèi)藍色火焰消失。

圖5 64×φ 5mm孔板試驗自發(fā)光圖像(右側為試驗器進口)Fig.5 Image of spontaneous light of 64×φ 5mm porous plate(inlet on right)

結合圖3～5,可以分析得到在整個點火爆震過程中頭部的流場變化經(jīng)過如下過程：當火花塞點火后,在其下游某處發(fā)生局部爆炸形成向上游和下游傳播的燃燒波,向下游傳播的燃燒波最終在P7和P6間某位置形成爆震波從試驗器出口傳出,該爆炸形成的向上游傳播的壓力波束沿圖4虛線1傳播,由于壓力波動較小,這一變化很難從陰影圖中分辨出來;隨著下游壓力的增加,試驗器內(nèi)氣流開始反向流動,此反向流動帶動燃油液霧向上游流動,從陰影圖來看,此燃油液霧對應的就是初始前傳的黑色霧團;另一方面前傳燃燒波傳到噴嘴附近時,由于此區(qū)域極度富油,燃燒強度減弱,在噴嘴前錐附近,油氣混合趨于合理,混合物二次爆炸在此發(fā)生,形成向兩方向傳播的藍色火焰(弱火焰),對應的陰影圖應是圖3中17.3ms右端較亮區(qū)域,藍色火焰沿油霧向上游傳播,提高了油霧反向流動的速度及圖4中壓力曲線上升的速度(虛線1和3之間);當藍色火焰或圖3陰影圖中的燃燒火焰越過測量位置時,測量位置的壓力趨于平坦(虛線3和4之間);前傳藍色火焰形成的虛線3壓力波動在上游某處反射,形成向下游傳播的壓力波束,該波動即如圖4虛線4所示;紅色火焰穿越孔板時,孔板擔當起射流點火的作用,孔板前藍色火焰進一步放熱,最終變?yōu)榈t色火焰;對于圖5中前傳高亮紅色火焰,由于其光強較高,在高速陰影攝像時會出現(xiàn)較弱的彩色自發(fā)光;此后試驗器出口傳來膨脹波,燃燒產(chǎn)物向外排出,試驗段壓力減小(虛線4和5之間);孔板前藍色火焰的二次放熱產(chǎn)生向上游傳播壓縮波在進氣管道某處反射最終形成圖4中虛線5所示的壓力波動。

2.2 64×φ 3mm孔板試驗研究

作為對比,這里也對64×φ 3mm方形孔板進行了試驗研究,其在觀察段的安裝位置與φ 5mm孔板相同,試驗工作狀態(tài)：供油量 5.1ml/s,空氣量 122 kg/h,工作頻率4Hz。

圖6 64×φ 3mm孔板試驗壓力曲線Fig.6 Pressure history of 64×φ 3mm porous plate

圖7 雙孔板試驗陰影圖(左側為試驗器進口)Fig.7 Shadow image of double porous plate(inlet on left)

試驗拍攝了φ 3mm孔板結構氣流流動陰影圖并同時測量了各位置的壓力,分析表明,火花塞點火后,φ 3mm孔板結構的氣流流動過程與φ 5mm孔板是基本相同的,故這里只給出圖6所示的其各點壓力變化曲線。在該結構下初始也有黑色油霧團從噴嘴下游方向流動,但由于其孔板阻塞比的增大,故從φ 3mm孔板流出的黑色油霧團明顯減少,噴嘴前錐附近出現(xiàn)局部爆炸形成沿圖6所示虛線3的壓力波動,與圖4比較可知,由于φ 3mm孔板阻塞比的增加,減小了氣流的反向流量,進而減弱了最初從孔板穿越的弱火焰強度,故P3位置感受到虛線3的壓力波動要落后于φ 5mm孔板。最終弱火焰仍能傳到P1位置,虛線3右邊P1平臺區(qū)為 0.21MPa,約1ms后,虛線 3對應壓力波動在上游反射形成的虛線4所示壓力波動,這一現(xiàn)象與 φ 5mm孔板相同,P1位置峰值壓力0.31MPa;在排氣過程φ 3mm孔板也有虛線5所示的排氣二次波動。由以上分析可知,從壓力曲線表現(xiàn)來看 ,相比 φ 5mm 孔板 ,φ 3mm 孔板P1～ P3位置壓力上升點推后、壓力脈動時間變窄,這意味著增大孔板的阻塞比將減弱反流的氣流量,同時延緩上游對下游壓力波動的感應時間,但由于燃油液霧回流,其上游壓力峰值仍較高。

2.3 64×φ 3mm+64×φ 4mm雙孔板試驗研究

出于阻止燃油前傳影響的目的,這里將2.2節(jié)中φ 3mm孔板后移到壓力傳感器P4和噴油嘴前錐之間,同時在原 φ 3mm孔板位置用64×φ 4mm 孔板替換,從而形成如圖7所示的雙孔板結構,觀察段左側為φ 4mm孔板,右側為 φ 3mm孔板,試驗工作狀態(tài)與前相同,即：供油量 5.0ml/s,空氣量 124kg/h,工作頻率4Hz。

從圖 7前3幅陰影圖可以看到,觀察段右側φ 3mm孔板阻隔了部分黑色油霧團的方向流動,但仍有部分油霧團向上游流動(φ 3mm孔板左側灰色區(qū)域)。與前面單孔板不同的是,對于雙孔板結構,由于φ 3mm孔板的阻隔作用,藍色火焰由噴嘴下游向上游傳播,而P4位置位于該孔板上游,從而形成如圖8虛線3所示的壓力波動傳播方向。另一方面當藍色火焰穿越孔板向上游傳播的過程中,由于雙孔板的阻隔作用,其傳播速度要小于單孔板結構,同時φ 3mm孔板下游部分燃燒產(chǎn)物經(jīng)過二次放熱形成明亮火焰也穿越了φ 3mm孔板,但火焰穿越小孔形成了射流點火的作用,加劇兩孔板間的燃燒放熱,從而形成如圖7中54.1ms所示的球狀壓力波,該壓力波迅速穿越φ 4mm孔板,追改上了前傳的藍色火焰并加快了其燃燒放熱的過程,從而導致P1～P5位置壓力上升速度要遠高于單孔板結構。虛線3所示上傳壓力波在試驗器上游某處反射回傳,同樣形成了如圖8虛線4所示的后傳壓力波動,該波動在陰影圖表現(xiàn)為圖7中55.82ms和55.86ms時觀察段左側較明顯的柱狀亮條,這形成了P1位置較高的壓升,P1峰值達到0.41 MPa;需要說明的是這種向下游移動的柱狀亮條未在單孔板結構陰影圖中發(fā)現(xiàn),這主要是因為對于單孔板結構,反向流過孔板的氣流量較大,燃燒放熱形成較強的陰影圖遮蔽住了一流動特征。

圖8 雙孔板試驗壓力曲線Fig.8 Pressure history of double porous plate

2.4 孔板型氣動閥冷態(tài)試驗

為便于分析,試驗中也測量了以上三種孔板型氣動閥冷流下正反向總壓恢復系數(shù)及來流總壓與來流流量的變化特性,如圖9和10所示,對于單孔板結構,由于正反向流動近似對稱,故只給出了正向流動數(shù)據(jù)。從圖中可以看到64×φ 5mm孔板流阻最小,64×φ 3mm單孔板和雙孔板流阻損失大,以來流流量700kg/h為例,對于 φ 3mm 單孔板和雙孔板,此時對應來流總壓為38kPa,其總壓恢復系數(shù)約為0.76,隨著流量的增大(即來流總壓的增大),孔板的流阻損失繼續(xù)增大,當來流流量增加1100kg/h時,總壓恢復系數(shù)只有0.6,對比前面熱態(tài)試驗氣動閥在反流發(fā)生時前后位置峰值壓比可以看到,熱態(tài)試驗時孔板型氣動閥的阻反壓特性大大減落,這表明有額外的因素影響其工作特性,即燃油液霧的回流。

圖9 總壓恢復系數(shù)隨流量變化曲線Fig.9 Pressure recovery vs air flux

圖10 來流總壓與來流流量變化曲線Fig.10 Inflow total pressure vs air flux

3 結 論

(1)對于全無閥式脈沖爆震發(fā)動機,發(fā)動機點火后必然產(chǎn)生前傳的燃油液霧,對于本試驗器,其表現(xiàn)為陰影圖中的黑色霧團;同時在該燃油液霧向上游流動的過程中,其下游將緊隨向上游傳播的火焰,并最終點燃整段上游的可燃混合物;

(2)對于孔板型氣動閥,在不存在燃燒的流場里,其具有較強的阻隔壓力波動的能力,然而當其處于可燃混合物中時,較強的燃燒火焰穿越孔板時,孔板將擔當起射流點火的作用,從而加速火焰的傳播;

(3)增大孔板阻塞比在減弱爆震室對于進氣系統(tǒng)的影響上是有一定作用的,但這同時將增大發(fā)動機填充時的流阻損失,進而影響發(fā)動機的可工作頻率。

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