胡洪波，翁春生，白橋棟，楊建魯

(南京理工大學(xué)瞬態(tài)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210094)

凝膠汽油在脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)中的爆轟特性實(shí)驗(yàn)①

胡洪波，翁春生，白橋棟，楊建魯

(南京理工大學(xué)瞬態(tài)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210094)

為探索凝膠燃料在脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用的可行性，設(shè)計(jì)了凝膠汽油脈沖爆轟火箭發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。對(duì)不同氧含量和凝膠汽油供給工況下的多循環(huán)脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了熱態(tài)實(shí)驗(yàn)，分析了氧含量和燃料供給工況對(duì)爆轟段爆轟壓力和波傳播速度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用凝膠汽油的脈沖爆轟火箭發(fā)動(dòng)機(jī)能穩(wěn)定工作;在氧氣質(zhì)量百分比為42%、凝膠汽油/霧化空氣噴射壓力系數(shù)為2.5/1工況下，距離發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火位置770 mm處的爆轟壓力均值為2.02 MPa，爆轟波速度均值為1 124 m/s。在相同凝膠汽油供給條件下，增加氧含量能夠獲得更大的爆轟壓力和爆轟波速度。研究結(jié)果對(duì)凝膠燃料和脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用研究具有參考意義。

脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī);凝膠汽油;爆轟;熱態(tài)實(shí)驗(yàn)

0 引言

使用凝膠劑將液體燃料膠凝化形成的凝膠燃料是一種兼具固體燃料和液體燃料優(yōu)點(diǎn)的新型燃料，安全性好、能量管理靈活等［1-3］，在未來新型動(dòng)力裝置中具有廣泛的應(yīng)用前景。目前，對(duì)凝膠燃料的研究主要集中在凝膠燃料流動(dòng)、霧化與燃燒等基礎(chǔ)物性方面［4-6］，有關(guān)凝膠燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用的研究尚不多見［7-10］。由于凝膠劑的作用，凝膠燃料的粘度比液體基燃料高很多，對(duì)組織凝膠燃料高效燃燒提出了更高要求。因此，設(shè)計(jì)或選擇適合凝膠燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)是實(shí)現(xiàn)凝膠燃料工程化應(yīng)用的關(guān)鍵之一。

脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單、熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，有望成為新一代動(dòng)力裝置［11-13］。將凝膠燃料應(yīng)用于脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)，有可能提高凝膠燃料燃燒的熱效率。此外，脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)以爆轟模式燃燒，其燃燒過程中存在的高強(qiáng)度剪切氣流有助于燃料液滴的蒸發(fā)與剝離，有可能彌補(bǔ)凝膠燃料液滴蒸發(fā)、燃燒困難的不足。因此，研究凝膠燃料在脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)中的爆轟特性，對(duì)推進(jìn)凝膠燃料工程化應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)意義。截至目前，脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)使用的燃料多為液體燃料。文獻(xiàn)［14］對(duì)以煤油為燃料的多循環(huán)脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。文獻(xiàn)［15］對(duì)以汽油為燃料的脈沖爆轟火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。但尚未見到凝膠燃料在多循環(huán)脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用的相關(guān)報(bào)道。

本文以SiO2/汽油凝膠為燃料，設(shè)計(jì)了凝膠汽油脈沖爆轟火箭發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過改變凝膠汽油在發(fā)動(dòng)機(jī)中試驗(yàn)的工況，對(duì)凝膠汽油在多循環(huán)脈沖爆轟火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探索。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

如圖1所示，凝膠汽油脈沖爆轟火箭發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要組成為爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣孔、點(diǎn)火裝置、爆轟管、凝膠汽油噴射霧化裝置、氣源及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。爆轟管長為1.2 m，由混合段、點(diǎn)火段和爆轟室構(gòu)成。其中，爆轟室內(nèi)安裝有擾流裝置，以促進(jìn)燃燒轉(zhuǎn)爆轟形成。

圖1 凝膠汽油脈沖爆轟火箭發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of pulse detonation rocket engine with gelled gasolines

對(duì)于使用固體顆粒凝膠劑的凝膠汽油，實(shí)驗(yàn)過程中使用實(shí)心噴嘴、精細(xì)霧化噴嘴等易發(fā)生堵塞。因此，凝膠汽油噴射霧化裝置采用自行設(shè)計(jì)的高效噴嘴來實(shí)現(xiàn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)凝膠汽油燃料填充，該噴嘴利用霧化空氣與凝膠汽油的相互作用來增強(qiáng)凝膠汽油的霧化效果，并通過調(diào)節(jié)霧化空氣和凝膠汽油噴射壓力來改變?nèi)剂瞎┙o。爆轟壓力和波傳播速度測量由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和安裝在爆轟管上的動(dòng)態(tài)壓力傳感器p1(距點(diǎn)火位置615 mm)、p2(距點(diǎn)火位置770 mm)來實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集頻率為500 kHz。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 凝膠汽油粘度與剪切速率的關(guān)系

采用超聲波振蕩與機(jī)械攪拌相結(jié)合的方法，制備實(shí)驗(yàn)用凝膠汽油。其中，凝膠劑納米氣相SiO2的比表面積為200 m2/g，液體基燃料為汽油，其粘度為10-4量級(jí)。凝膠劑含量占合成凝膠汽油質(zhì)量的5%。凝膠汽油的粘度對(duì)噴射霧化有較大影響，而霧化效果直接影響脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒轉(zhuǎn)爆轟過程。因此，首先對(duì)制備的凝膠汽油粘度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測定。圖2給出了不同剪切速率下凝膠汽油與液體汽油粘度。由圖2可看出，凝膠汽油具有明顯的剪切變稀特性，其粘度隨剪切速率增大而降低。在0.1 s-1的較低剪切速率下，凝膠汽油的粘度為2 637 Pa·s，比液體汽油的粘度高出6個(gè)數(shù)量級(jí)。在4 901 s-1的較高剪切速率下，凝膠汽油的粘度為0.018 Pa·s，仍比液體汽油的高出許多。

圖2不同剪切速率γ·下凝膠汽油與液體汽油粘度ηFig.2 Viscosities of gelled gasolines and liquid gasolines at different shear rates

2.2 不同工況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過改變填充氣體的氧含量和凝膠汽油/霧化空氣噴射壓力系數(shù)，對(duì)使用凝膠汽油的脈沖爆轟火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了不同工況的熱態(tài)實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果列于表1。

由表1可見，凝膠汽油在不同實(shí)驗(yàn)工況下p1、p2位置的脈沖壓力峰值介于0.52～4.11 MPa。其中，實(shí)驗(yàn)5、6、7 和 8 中 p2 位置的壓力峰值介于 0.85～2.58 MPa，p1、p2間波傳播平均速度介于945～1 435 m/s。圖3是凝膠汽油實(shí)驗(yàn)6工況下p1、p2位置壓力隨時(shí)間的變化曲線。由于燃料難以完全均勻分布，爆轟過程十分復(fù)雜，單次爆轟波壓力大小不一。如圖3所示，p1、p2 位置對(duì)應(yīng)的壓力峰值分別介于 1.64～3.98 MPa和1.11～ 2.58 MPa;p1、p2 間波傳播平均速度介于1 047～1 174 m/s。對(duì)p2位置在0.5 s內(nèi)的壓力峰值和p1、p2間波傳播速度取平均值，得到爆轟壓力均值為2.02 MPa，爆轟波速度均值為 1 124 m/s。圖 3(c)顯示，p2位置壓力從初始?jí)毫ι仙练逯祲毫Φ臅r(shí)間為4 μs。綜合考慮壓力上升過程、壓力峰值及波傳播速度，認(rèn)為爆轟已形成。

表1 不同氧含量和凝膠汽油供給工況下p1、p2位置的壓力和波傳播速度Table 1 Pressures and wave velocities of p1 and p2 positions under different oxygen concent and fuel supply

圖3 實(shí)驗(yàn)6 p1、p2位置壓力隨時(shí)間的變化Fig.3 Pressures vs time of p1 and p2 positions of No.6 experment

為便于比較，圖4給出了將液體汽油作為燃料進(jìn)行脈沖爆轟火箭發(fā)動(dòng)機(jī)熱態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)，p1、p2位置壓力隨時(shí)間的變化曲線。其對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)工況的氧含量為37%，液體汽油/霧化空氣噴射壓力系數(shù)為1/1。由圖4 可看出，p1 位置的壓力峰值介于 2.15～3.15 MPa，p2位置的壓力峰值介于 2.06～2.85 MPa。p1、p2 位置間波傳播平均速度介于1 428～1 667 m/s，表明爆轟管內(nèi)已形成爆轟波。

圖4 燃料為液體汽油時(shí)p1、p2位置壓力隨時(shí)間的變化Fig.4 Pressure vs time of p1 and p2 positions using liquid gasolines as fules

圖5給出了凝膠汽油與液體汽油霧化粒徑分布的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該結(jié)果為圖3、圖4對(duì)應(yīng)霧化工況下自由空間噴射霧化時(shí)，某截面不同位置的霧化測量結(jié)果?？煽闯?，液體汽油霧化粒徑分布更寬、更均勻，有利于爆轟波形成。盡管凝膠汽油液滴與液體汽油液滴的索泰爾平均粒徑均值大小相近，但其爆轟壓力和爆轟波傳播速度均比液體汽油的低，其原因主要在于凝膠汽油粘度大、蒸發(fā)與剝離更加困難，從而使得爆轟壓力和波傳播速度低。

圖5 凝膠汽油與液體汽油霧化粒徑分布Fig.5 Particle size distributions of atomizing with gelled gasolines and liquid gasolines

2.3 氧含量和凝膠汽油噴射霧化條件對(duì)爆轟管內(nèi)壓力和波傳播速度的影響

由于各個(gè)壓力波傳播速度和壓力峰值大小不一，為方便比較，對(duì)0.5 s內(nèi)脈沖壓力波傳播速度和壓力峰值取均值進(jìn)行分析。圖6給出了不同氧含量和凝膠汽油供給工況下，p2位置壓力峰值和p1、p2間波傳播速度的平均值。實(shí)驗(yàn)1的壓力峰值和波傳播速度均值分別為0.61 MPa和641 m/s。與實(shí)驗(yàn)1相比，實(shí)驗(yàn)2氧含量由32%提高到37%，其壓力峰值和波傳播速度均值分別增加了0.38 MPa和162 m/s。實(shí)驗(yàn)4的壓力峰值和波傳播速度均值分別為1.19 MPa和929 m/s。與實(shí)驗(yàn)4相比，實(shí)驗(yàn)5氧含量由37%提高到42%，其壓力峰值和波傳播速度均值分別增加了0.66 MPa和317 m/s?？梢?，由于氧含量增加，燃料、氧化劑燃燒反應(yīng)活性增強(qiáng)，使得壓力峰值和波傳播速度都增加。

由圖6可知，霧化空氣噴射壓力系數(shù)為1時(shí)，隨著凝膠汽油噴射壓力系數(shù)由1增大到2，p2位置的壓力峰值和p1、p2間波傳播速度均值先增大后減小。凝膠汽油噴射壓力系數(shù)為2.5時(shí)，隨著霧化空氣壓力系數(shù)由0.8增大到1.3，p2位置的壓力峰值和p1、p2間波傳播速度均值也先增大后減小。這是因?yàn)楫?dāng)保持空氣霧化壓力不變時(shí)，增大凝膠汽油噴射壓力，凝膠汽油供給量增加，壓力峰值與波傳播速度均增大。當(dāng)凝膠汽油過量時(shí)，壓力峰值與波傳播速度則減小。當(dāng)保持凝膠汽油噴射壓力不變時(shí)，情況正好相反。減小霧化空氣壓力，凝膠汽油供給量增加。因此，合適的凝膠汽油供給量，才能獲得較高的壓力峰值和波傳播速度。

圖6 不同氧含量和凝膠汽油供給工況下p2位置壓力峰值與p1、p2間波傳播速度的平均值Fig.6 Mean values of peak pressures of p2 position and velocities between p1 and p2 under different oxygen concent and fuel supply

圖7為實(shí)驗(yàn)1工況下p2發(fā)生點(diǎn)火間斷現(xiàn)象的壓力-時(shí)間曲線。由圖7可知，在0.5 s內(nèi)僅出現(xiàn)了7個(gè)壓力波，而20 Hz的點(diǎn)火頻率下應(yīng)存在10個(gè)壓力波，表明部分點(diǎn)火未成功。這是因?yàn)槟z汽油粘度大，不易蒸發(fā)，當(dāng)氧含量不高、燃燒反應(yīng)活性較低時(shí)，燃燒不穩(wěn)定性增加，從而出現(xiàn)圖7所示的點(diǎn)火失效現(xiàn)象。

圖7 實(shí)驗(yàn)1工況下發(fā)生點(diǎn)火間斷現(xiàn)象的壓力-時(shí)間曲線Fig.7 Pressure vs time of p2 position when ignition discontinuity occurred under No.1 experimental condition

3 結(jié)論

(1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用凝膠汽油的脈沖爆轟火箭發(fā)動(dòng)機(jī)能夠穩(wěn)定工作。在氧含量為42%、凝膠汽油/霧化空氣噴射壓力系數(shù)為2.5/1時(shí)，距發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火位置770 mm處的爆轟壓力均值為2.02 MPa，爆轟波速度均值為1 124 m/s。

(2)由于凝膠汽油粘度大，霧化與蒸發(fā)困難，實(shí)現(xiàn)凝膠汽油爆轟需要更高的燃料噴射壓力。實(shí)驗(yàn)獲得的凝膠汽油爆轟壓力和爆轟波速度均比液體汽油的低。

(3)增加氧含量，可改善凝膠汽油點(diǎn)火起爆特性。相同凝膠汽油供給工況下，氧含量增加，凝膠汽油爆轟壓力和爆轟波速度增大。

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(編輯:崔賢彬)

Experiment of detonation characteristics of gelled gasolines in pulse detonation engine

HU Hong-bo，WENG Chun-sheng，BAI Qiao-dong，YANG Jian-lu
(National Key Lab of Transient Physics，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China)

An experimental system of pulse detonation rocket engine using gelled fuels was established to explore the feasibility of application of gelled fuels on pulse detonation engines.The hot state tests were accomplished on multi-cycle pulse detonation rocket engine at different oxygen concentration and supply conditions of gelled fuels.The influences of oxygen concentration and fuel supply conditions on pressure and wave propagation velocity of detonation wave were analyzed.The experimental results indicate that pulse detonation rocket engine can work stably with gelled fuels.With 42%oxygen in filling gases and injection pressure coefficients of fuel and atomizing air at 2.5 and 1，the average value of detonation pressure and wave velocity were 2.02 MPa and 1 124 m/s respectively.The pressure and wave velocity of detonation increase with oxygen addition under the same fuel supply conditions.The results have some significant references for application investigation on gelled fuels and pulse detonation engines.

pulse detonation engine;gelled gasoline;detonation;hot state test

V439

A

1006-2793(2014)04-0505-05

10.7673/j.issn.1006-2793.2014.04.014

2013-09-12;

2013-10-12。

國家自然科學(xué)基金(11372741);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(30920130112007)。

胡洪波(1987—)，博士生，主要從事凝膠推進(jìn)劑爆轟的實(shí)驗(yàn)研究。E-mail:huhongbonjusteducn@163.com

白橋棟(1979—)，男，博士，研究方向?yàn)楸Z推進(jìn)技術(shù)。E-mail:baiqd@njust.edu.cn