陳雪冬，王發(fā)民，唐貴明

（中國科學(xué)院力學(xué)研究所高溫氣體動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190）

0 引 言

航天飛行器在高空高速飛行時(shí)，由于空氣密度急劇下降造成自由流動(dòng)能快速下降導(dǎo)致飛行器控制舵面效率大大降低。為了滿足高空快速的氣動(dòng)操縱需求，飛行器大多采用發(fā)動(dòng)機(jī)羽流以及飛行器側(cè)向噴流控制。沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)羽流和飛行器周圍流場的相互干擾，以及高速導(dǎo)彈側(cè)向噴流與自由流的相互干擾對(duì)飛行器氣動(dòng)特性的影響是理論和工程應(yīng)用面臨的一個(gè)重要問題［1－3］。

為了認(rèn)識(shí)噴流干擾流動(dòng)現(xiàn)象，了解噴流干擾對(duì)氣動(dòng)特性的影響，國內(nèi)外進(jìn)行了廣泛的地面模擬實(shí)驗(yàn)研究，Pratese等［4］利用NSWC超高速風(fēng)洞，實(shí)驗(yàn)研究了噴流控制技術(shù)；Gruer［5］和Mudford［6］分別研究了冷態(tài)噴流干擾流場的壓力分布和熱流分布。李素循［7－9］系統(tǒng)地介紹了噴流導(dǎo)致超聲速流場中激波與邊界層干擾的復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象。美國針對(duì)X－43A進(jìn)行了大量沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)非對(duì)稱噴管羽流對(duì)飛行器氣動(dòng)力影響的實(shí)驗(yàn)研究，利用總溫為常溫的噴流在滿足落壓比、總溫比、馬赫數(shù)和幾何相似的條件下，研究冷態(tài)噴流干擾對(duì)飛行器氣動(dòng)操縱特性的影響，研究表明氣動(dòng)操縱特性在冷態(tài)噴流作用下相比無噴流時(shí)產(chǎn)生劇烈變化，說明冷噴流對(duì)飛行器氣動(dòng)操縱特性產(chǎn)生顯著影響。

美國航天飛機(jī)的大量實(shí)踐表明：真實(shí)飛行中燃?xì)鈬娏鲗?duì)飛行器局部氣動(dòng)熱環(huán)境會(huì)產(chǎn)生很大影響，而目前有關(guān)熱噴流氣動(dòng)熱實(shí)驗(yàn)開展得較少。當(dāng)前絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)是在脈沖風(fēng)洞中進(jìn)行的冷態(tài)噴流實(shí)驗(yàn)，不能提供高總溫的燃?xì)鈬娏?，也不能真?shí)反映出實(shí)際飛行中燃?xì)鈬娏鳎釃娏鳎?duì)飛行器機(jī)體和結(jié)構(gòu)部件局部熱環(huán)境的影響。因此需要研制一種脈沖燃?xì)鈬娏髂M裝置，配合脈沖風(fēng)洞進(jìn)行縮比模型的燃?xì)鈬娏髂M實(shí)驗(yàn)。

脈沖燃?xì)鈬娏飨到y(tǒng)的研制有以下兩大難點(diǎn)：（1）瞬態(tài)穩(wěn)定熱噴流氣源的產(chǎn)生及熱力學(xué)參數(shù)的測量。（2）為了與脈沖風(fēng)洞同步運(yùn)行，必須保證短時(shí)間（50ms以內(nèi)）起動(dòng)運(yùn)行。

為了解決以上技術(shù)難題，筆者以氫氧燃燒路德維希管為基本設(shè)計(jì)思路，研究設(shè)計(jì)了一套可以配合脈沖風(fēng)洞工作的瞬態(tài)熱噴流氣源供氣系統(tǒng)，將此系統(tǒng)與脈沖風(fēng)洞系統(tǒng)配合，同步工作，可以完成發(fā)動(dòng)機(jī)縮比模型熱噴流氣動(dòng)熱實(shí)驗(yàn)。研究了不同配比的混合可燃?xì)怏w以及不同點(diǎn)火方式對(duì)熱氣源產(chǎn)生的影響，發(fā)現(xiàn)組分為H2、N2、O2的可燃混合氣體，當(dāng)H2過量時(shí)，采用膜片前端點(diǎn)火的方式可以獲得穩(wěn)定狀態(tài)的熱噴流氣源。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)展了熱噴流氣體總溫參數(shù)的測量方法。

1 熱氣源供氣平臺(tái)的總體框架

為實(shí)施該研究，將中科院力學(xué)所原有的葉柵風(fēng)洞改造為可以提供熱噴流氣源的可控平臺(tái)，并在此平臺(tái)上開展了相關(guān)燃燒實(shí)驗(yàn)測試及狀態(tài)標(biāo)定工作。此平臺(tái)的主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括：氣體混合罐、路德維希管（Ludwieg－tube）、實(shí)驗(yàn)段、真空罐、點(diǎn)火和電子控制器件等（如圖1所示）。實(shí)驗(yàn)中采用氫氧燃燒驅(qū)動(dòng)，端面點(diǎn)火的方式產(chǎn)生熱氣源，利用氣體燃燒后壓力與溫度的升高沖破金屬膜片噴入實(shí)驗(yàn)段。

2 Ludwieg－tube工作原理及實(shí)驗(yàn)設(shè)備檢驗(yàn)

冷態(tài)路德維希管工作原理是：在實(shí)驗(yàn)前把整個(gè)管道充氣到所要求的壓力，隨后打開膜片，在氣體通過膜片段向外流動(dòng)的同時(shí)，產(chǎn)生膨脹波向上游傳播。當(dāng)聲速噴管處到達(dá)聲速時(shí)，就不再有新的膨脹波繼續(xù)向上游傳播，于是形成一個(gè)有限寬度的膨脹波扇向上游傳播。當(dāng)駐室（管道）內(nèi)達(dá)到流動(dòng)平衡時(shí)，實(shí)驗(yàn)段中就形成定常流。當(dāng)膨脹波扇的波頭在管道封閉端反射后再回到膜片端時(shí)，實(shí)驗(yàn)段中的定常流開始破壞。這段定常流時(shí)間即為路德維希管的有效工作時(shí)間，它的長短取決于管道的長度。

為了檢驗(yàn)所搭建系統(tǒng)的基本工作性能，在正式實(shí)驗(yàn)前做了冷態(tài)路德維希管的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。冷態(tài)實(shí)驗(yàn)中測量了駐室內(nèi)的壓力變化及冷態(tài)噴流的皮托壓力。利用聚酯薄膜材料作為膜片將管道密封，膜片上粘有電爆絲。管道內(nèi)充入0.7MPa的初始?jí)毫?，利用電爆破膜技術(shù)破膜，使氣流噴出。圖2所示的駐室壓力信號(hào)和噴流皮托壓力信號(hào)表明本系統(tǒng)在冷態(tài)運(yùn)行時(shí)確有一段穩(wěn)定的流動(dòng)時(shí)間，這段時(shí)間是冷態(tài)噴流的工作時(shí)間。

3 路德維希管內(nèi)燃燒狀態(tài)的調(diào)試

為了取得燃?xì)鈬娏?，該研究改變了傳統(tǒng)路德維希管的運(yùn)行方式：采用燃燒可燃混合氣體驅(qū)動(dòng)路德維希管工作產(chǎn)生熱氣源，利用燃燒后溫度和壓力的升高沖破膜片噴入實(shí)驗(yàn)段。燃燒驅(qū)動(dòng)路德維希管運(yùn)行有以下幾方面特點(diǎn)：

（1）可以獲得高總壓、高總焓的瞬態(tài)燃?xì)鉄釃娏鳉庠?，不需要?fù)雜的冷卻系統(tǒng)；

（2）可以調(diào)配不同比例的混合氣體，以獲得不同熱力學(xué)狀態(tài)的熱氣源，方便滿足噴流實(shí)驗(yàn)相似準(zhǔn)則；

（3）相比電加熱氣體的方法，此方法可以縮短實(shí)驗(yàn)周期，節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本。燃燒驅(qū)動(dòng)路德維希管的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是：混合氣體在常溫、低壓狀態(tài)下組織穩(wěn)定的燃燒并力求避免出現(xiàn)爆震，同時(shí)還要保證有較高的燃燒速率為后面與脈沖風(fēng)洞同步工作打下基礎(chǔ)。進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)時(shí)，將管道兩端利用耐高壓材料同時(shí)密封，燃燒過程中壓力的升高不會(huì)破壞管道兩端的密封性。

3.1 可燃?xì)怏w組分的選擇

實(shí)驗(yàn)中選擇了3種不同燃?xì)饨M分及配比的混合氣體作為研究對(duì)象，研究了：（1）富氧燃燒氫氣加熱氮?dú)猓杭椿旌蠚怏w中充入一定量的氮?dú)?，燃料使用氫氣，并且氧氣過量；（2）富氧燃燒氫氣－甲烷混合氣體加熱氮?dú)猓杭椿旌蠚怏w中充入一定量的氮?dú)猓剂鲜褂脷錃馀c甲烷的混合氣體，且氧氣過量；（3）富氫燃燒加熱氮?dú)猓杭椿旌蠚怏w中充入一定量的氮?dú)?，燃料使用氫氣，且氫氣過量。

（1）富氧燃燒氫氣加熱氮?dú)?/p>

實(shí)驗(yàn)中，氫氣摩爾比例范圍是6%～15%，氧氣比例范圍是40%～50%，其余比例為氮?dú)?。?shí)驗(yàn)結(jié)果表明：利用以上混合氣體配比，可以使混合氣體順利點(diǎn)火燃燒，且燃燒時(shí)間在10ms以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)中在管道下游靠近噴管的管道壁面處安裝有壓力傳感器，用以測量管道內(nèi)駐室壓力，實(shí)驗(yàn)信號(hào)如圖3（a）所示，從信號(hào)中明顯可見有壓力尖峰值，說明此配方燃燒后容易產(chǎn)生爆震現(xiàn)象。

（2）富氧燃燒氫氣－甲烷混合氣體加熱氮?dú)?/p>

爆震現(xiàn)象的主要特征是：由于燃燒火焰與封閉端之間燃燒產(chǎn)物的膨脹，導(dǎo)致在封閉端發(fā)起的火焰在混合物中的傳播加快。采用富氧燃燒氫氣－甲烷混合氣體的初衷是為了降低燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俾剩苊獗瓞F(xiàn)象的產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：燃燒速度明顯降低，從點(diǎn)火到燃燒需要60ms左右，但是燃燒仍然很不穩(wěn)定，也容易出現(xiàn)爆震現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)中在同一位置測量得的駐室壓力信號(hào)如圖3（b）所示。

（3）富氫燃燒氫氣加熱氮?dú)?/p>

為了避免爆震現(xiàn)象的產(chǎn)生，除了降低燃燒速率以外，還可以通過提高膨脹波傳播速率解決，膨脹波以當(dāng)?shù)芈曀賯鞑ィ曀倥c分子量的平方根成反比，所以利用分子量小的氣體作為傳播介質(zhì)可以提高膨脹波傳播的速度。為此，嘗試了富氫燃燒加熱氮?dú)獾姆绞健Ｆ渲袣錃獗壤秶鸀?0%～60%，氧氣比例范圍10%左右，其余為氮?dú)?。?shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用此方法有效地避免了爆震現(xiàn)象的產(chǎn)生，同時(shí)從點(diǎn)火到完全燃燒時(shí)間在10～20ms之間，既降低了燃燒時(shí)間同時(shí)又能以穩(wěn)定緩慢燃燒的方式產(chǎn)生高溫、高壓的氣體。同一位置駐室壓力信號(hào)如圖3（c）所示。

3.2 點(diǎn)火方式及點(diǎn)火位置的選擇

為了獲得穩(wěn)定的、盡可能重復(fù)的燃燒效果，研究了不同點(diǎn)火方式以及點(diǎn)火位置對(duì)燃燒效果的影響。從國內(nèi)外研究中發(fā)現(xiàn)，有多種點(diǎn)火方式，如端面點(diǎn)火，即火焰從膜片附近傳播到驅(qū)動(dòng)段末端；多點(diǎn)點(diǎn)火，即在路德維希管多處布置點(diǎn)火頭同時(shí)點(diǎn)燃管內(nèi)混合氣體；軸向熱絲和熱爆絲點(diǎn)火，即軸向懸掛電阻絲，用高壓電脈沖加熱電阻，使電阻白熱或者熱絲爆成微粒點(diǎn)燃混合氣體。實(shí)驗(yàn)研究了端面點(diǎn)火、雙端面點(diǎn)火（在膜片附近和驅(qū)動(dòng)段末端同時(shí)點(diǎn)火）以及多點(diǎn)點(diǎn)火3種點(diǎn)火方式對(duì)燃燒的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：多點(diǎn)點(diǎn)火燃燒后駐室壓力信號(hào)出現(xiàn)多個(gè)壓力峰值，說明容易產(chǎn)生不穩(wěn)定燃燒。雙端面點(diǎn)火可以提高燃燒速率，但也容易出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象，且燃燒重復(fù)性不好。通過單點(diǎn)端面點(diǎn)火的方式可以獲得較為穩(wěn)定、重復(fù)性較好的燃燒波系，燃燒時(shí)間稍有變長，可以通過按照固定氫氣、氧氣、氮?dú)獗壤哟蟪跏蓟旌蠚怏w充氣量克服。3種點(diǎn)火方式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析，考慮到與主流來流時(shí)間同步和燃燒完全、穩(wěn)定、重復(fù)，實(shí)驗(yàn)采用膜片前單點(diǎn)端面點(diǎn)火方式。

3.3 穩(wěn)定燃燒的獲得

產(chǎn)生穩(wěn)定的預(yù)混燃燒是產(chǎn)生熱氣源的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是提高實(shí)驗(yàn)重復(fù)性的重要保證。但由于影響燃燒的因素太多，要完全弄清楚較高壓力下氫氧燃燒的規(guī)律是十分困難的。該研究僅就實(shí)際中碰到的問題及所采取的措施作簡要說明。燃燒方式分為兩類：緩燃和爆震，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)信號(hào)如圖5所示，實(shí)驗(yàn)中要力求避免爆震的出現(xiàn)。為了獲得良好的平穩(wěn)燃燒，可以采用如下措施：

（1）充氣方式

研究表明，要獲得良好的燃燒狀態(tài)，可燃?xì)怏w各組分必須預(yù)先混合均勻。實(shí)驗(yàn)采用的方法是在實(shí)驗(yàn)前預(yù)先按比例依次向氣體混合罐內(nèi)充入H2、N2和O2，在混合罐內(nèi)混合10～15min后向路德維希管內(nèi)充入混合氣體。多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明采用此方法可以獲得重復(fù)性較好的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（2）充氧比例

通過文獻(xiàn)［10］的研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)物的壓力和濃度隨充氧比例XO2的增加而增加。但實(shí)驗(yàn)表明，在高壓下，燃燒對(duì)氧的比例變化很敏感。如初始?jí)毫4＝0.3MPa時(shí)，在采用端面點(diǎn)火的情況下，為了防止出現(xiàn)爆震，XO2＜12%為宜。

（3）充氮比例

充氮比例XN2的增加，對(duì)產(chǎn)物壓力影響不大［11］，燃燒產(chǎn)物的分子量隨XN2增加而增加，造成聲速a4大幅下降，總焓也隨之下降。同時(shí)，隨XN2增加，燃燒時(shí)間增長，使燃燒變得不穩(wěn)定，當(dāng)XN2增加到一定程度時(shí)，如70%，幾乎每次實(shí)驗(yàn)都發(fā)生爆震。因此為了提高駐室焓值和保證安全，充氮比例XN2不能太高。

（4）未燃?xì)怏w的影響

在理論計(jì)算中可假定氫氧完全燃燒，但在實(shí)際中難以達(dá)到。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，未燃?xì)怏w對(duì)熱噴流狀態(tài)的重復(fù)性影響較大。在實(shí)驗(yàn)中將火花塞點(diǎn)火頭盡可能靠近膜片端，這樣使管內(nèi)氣體盡可能完全燃燒，以便取得良好的效果。

4 熱噴流氣體總溫的測量

總溫是實(shí)驗(yàn)中最為關(guān)鍵的噴流參數(shù)?？倻氐臏y量可以大致分為兩大類：一是用總溫探頭直接測量；二是間接測出其它參數(shù)（如：駐點(diǎn)熱流），通過一些理想假設(shè)條件換算總溫。由于前者響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較長，不利于毫秒量級(jí)的熱噴流系統(tǒng)的測量。所以，在本實(shí)驗(yàn)中采用間接法測量噴流總溫。

4.1 駐點(diǎn)熱流的測量

實(shí)驗(yàn)中在路德維希管噴口外放置了一個(gè)半徑RN＝11.3mm的球頭用于測量駐點(diǎn)熱流qj。實(shí)驗(yàn)中使用了3種不同類型的傳感器測量駐點(diǎn)熱流，分別為：薄膜電阻溫度計(jì)、同軸熱電偶和銅膜量熱計(jì)。通過實(shí)驗(yàn)比較了這3種傳感器的測量結(jié)果。3種傳感器各有優(yōu)缺點(diǎn)：薄膜電阻溫度計(jì)具有較高的靈敏度，響應(yīng)時(shí)間較快，但此類傳感器的薄膜完全裸露在流場中，容易受氣流沖刷作用而損壞，加之實(shí)驗(yàn)在高溫下進(jìn)行，薄膜容易燒壞。同軸熱電偶表面材料是康銅，不容易遭受沖刷和高溫的破壞，但這類傳感器響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較長，靈敏度相對(duì)較低，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)散布度稍大。銅膜量熱計(jì)兼顧了上述兩種傳感器的優(yōu)點(diǎn)，既有較高的靈敏度，同時(shí)在高溫流場中又不容易損壞，因此，在本實(shí)驗(yàn)中，采用銅膜量熱計(jì)作為駐點(diǎn)熱流的測量傳感器。駐點(diǎn)熱流信號(hào)如圖6所示。從測量信號(hào)看，采用銅膜量熱計(jì)測量到的信號(hào)較之前兩種傳感器的信號(hào)曲線光滑，說明銅膜量熱計(jì)受到的干擾小，信號(hào)穩(wěn)定性好。

圖6 不同傳感器測熱信號(hào)Fig.6 Heat flux signals using different thermal sensors

4.2 利用駐點(diǎn)熱流換算總溫

Fay－Riddel公式［11］作為計(jì)算駐點(diǎn)熱流的經(jīng)典公式被廣泛應(yīng)用在理論和工程計(jì)算中。Fay－Riddell公式如下：

公式中：Pr為流體普朗特?cái)?shù)取值0.7，下標(biāo)“s”表示駐點(diǎn)處氣流參數(shù)，下標(biāo)“w”表示壁面處氣流參數(shù)，下標(biāo)“ts”表示氣體的皮托參數(shù)。其中

其中R為普適氣體常數(shù)，Mmix為混合氣體分子量。粘性系數(shù)利用Sutherland公式：

其中下標(biāo)“re”為某一參考溫度下氣體的粘性系數(shù)，利用此公式可分別求出μs和μw。

經(jīng)過量級(jí)分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)ay－Riddell公式計(jì)算的關(guān)鍵是計(jì)算組分氣體駐點(diǎn)焓值hs和壁焓hw。焓值的定義為實(shí)驗(yàn)中噴流氣體為燃?xì)?，不能運(yùn)用量熱完全氣體假設(shè)。實(shí)驗(yàn)中認(rèn)為噴流氣體為熱完全氣體，即定壓比熱cp只是溫度的函數(shù)，因此對(duì)于焓值的計(jì)算要從原始的積分式計(jì)算。實(shí)驗(yàn)中利用多項(xiàng)式擬合系數(shù)計(jì)算各組分氣體在給定溫度下的定壓比熱及焓值即：

其中，Xi為第i組分的摩爾分?jǐn)?shù)。

根據(jù)以上Fay－Riddell公式以及焓值的計(jì)算方法，編制了相應(yīng)的混合氣體駐點(diǎn)熱流的計(jì)算程序。利用程序計(jì)算了不同組分混合氣體的駐點(diǎn)熱流值，反算出噴流氣體的總溫。實(shí)驗(yàn)中駐點(diǎn)熱流的實(shí)驗(yàn)值與利用程序計(jì)算的計(jì)算值一致（表1所示），說明該實(shí)驗(yàn)中的測量方法和換算辦法是可行的。

表1 熱流實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比（W／m2）Table 1 Comparison between the code and experimental result of heat flux

5 結(jié) 論

利用氫氧燃燒驅(qū)動(dòng)路德維希管的方法研制了一套瞬態(tài)熱噴流供氣系統(tǒng)，建立了相應(yīng)的瞬態(tài)熱噴流供氣系統(tǒng)的工作方法。通過研究比較不同可燃?xì)怏w組分、不同點(diǎn)火方式，最終確定了獲得穩(wěn)定燃燒的燃?xì)鈬娏鞯姆椒ā＠肍ay－Riddell公式計(jì)算燃?xì)鈬娏黢v點(diǎn)熱流，換算出燃?xì)饪倻?。該工作所建立的燃?xì)鈬娏飨到y(tǒng)由于燃?xì)獾慕M分、壓力、溫度在一定范圍內(nèi)可控，所以可以提供滿足縮比模型噴流實(shí)驗(yàn)所需不同噴流狀態(tài)的熱氣源，同時(shí)可以在50ms內(nèi)起動(dòng)工作，與脈沖風(fēng)洞同步協(xié)調(diào)工作。

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