白橋棟，翁春生，許桂陽，楊建魯，黃孝龍

(南京理工大學(xué) 瞬態(tài)物理國家重點實驗室，南京 210094)

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脈沖爆轟發(fā)動機兩點點火實驗研究

白橋棟，翁春生，許桂陽，楊建魯，黃孝龍

(南京理工大學(xué) 瞬態(tài)物理國家重點實驗室，南京 210094)

為研究兩點點火對脈沖爆轟發(fā)動機內(nèi)爆轟波起爆及傳播的影響，開展了脈沖爆轟發(fā)動機兩點點火實驗研究。實驗結(jié)果表明，兩點點火能有效促進脈沖爆轟發(fā)動機內(nèi)爆轟的形成，能大幅提高爆轟波的峰值壓力及爆轟波傳播的速度。當(dāng)兩點點火源距離為260 mm時，兩點點火時間間隔必須大于0.47 ms，爆轟發(fā)動機內(nèi)才能形成促進爆轟發(fā)生的有利條件；適當(dāng)增大兩點點火的時間間隔能縮短緩燃轉(zhuǎn)爆轟的距離，緩燃轉(zhuǎn)爆轟的距離從590 mm縮短至420 mm。

兩點點火；緩燃轉(zhuǎn)爆轟；爆轟波；脈沖爆轟發(fā)動機

0 引言

在最近10多年中，爆轟推進技術(shù)受到廣泛關(guān)注，其中研究最多的屬脈沖爆轟發(fā)動機。在脈沖爆轟發(fā)動機研究過程中，快速點火起爆及實現(xiàn)短距離內(nèi)緩燃轉(zhuǎn)爆轟(Deflagration to Detonation Transition, DDT)過程是關(guān)鍵技術(shù)。爆轟波可通過直接起爆或緩燃轉(zhuǎn)爆轟得到，由于液態(tài)燃料直接起爆所需能量巨大(可達MJ級別)，因而實際脈沖爆轟發(fā)動機的起爆一般都采用緩燃轉(zhuǎn)爆轟方式。實現(xiàn)DDT過程最常用的方式主要有在爆轟管內(nèi)安裝障礙物(Shchelkin螺旋裝置、擾流器、有孔擋板等)來增加火焰?zhèn)鞑サ乃俾蕪亩龠M爆轟的形成[1-5]；還有采用預(yù)爆轟方式點火[6-7]以及射流點火方式[8]以達到縮短緩燃轉(zhuǎn)爆轟距離的目的。

除此之外，采用多點點火方式也是實現(xiàn)快速起爆及縮短緩燃轉(zhuǎn)爆轟距離的一個有效方法。Frolov[9-10]采用兩點點火對光滑爆轟管內(nèi)氣相和液相混合物進行了點火起爆實驗。研究發(fā)現(xiàn)，在合適的點火時機觸發(fā)下，兩點點火能縮短緩燃轉(zhuǎn)爆轟的距離，兩點點火成功起爆所需的總能量顯著小于單點點火起爆的能量。Sinibaldi等[11]采用2個瞬態(tài)等離子點火器進行縮短DDT時間和距離的研究，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)相對電容火花點火，雙等離子點火能夠縮短DDT時間6 ms，縮短DDT距離170 mm。

國內(nèi)在多點點火引爆爆轟波研究方面主要集中于數(shù)值研究，王治武等[12]對不同間距、不同點火間隔時間的兩點火源點火起爆過程進行了數(shù)值模擬，數(shù)值計算結(jié)果表明兩點點火的時間間隔在一定范圍之內(nèi)時，有利于爆轟起爆。董剛等[13]數(shù)值研究了多點連續(xù)點火誘導(dǎo)氫氣-空氣預(yù)混合氣體的爆轟過程。計算結(jié)果表明，點火時序的變化可顯著影響預(yù)混氣的爆轟引發(fā)特性，適當(dāng)?shù)募铀龠B續(xù)點火過程可以誘導(dǎo)爆轟的形成，并能縮短緩燃轉(zhuǎn)爆轟的時間和距離。

綜上所述，通過控制多點點火的點火時機及調(diào)整點火源之間的間距能縮短DDT的時間和距離，這對脈沖爆轟發(fā)動機的實際工程應(yīng)用具有較大的應(yīng)用價值。目前國內(nèi)外關(guān)于脈沖爆轟發(fā)動機多點點火的實驗研究偏少，因此本文開展了脈沖爆轟發(fā)動機兩點點火實驗研究，主要研究兩點點火對起爆過程及爆轟波參數(shù)的影響，其目的是為縮短緩燃轉(zhuǎn)爆轟的距離，研究結(jié)果可為脈沖爆轟發(fā)動機的工程研制提供有益的指導(dǎo)。

1 實驗系統(tǒng)

脈沖爆轟發(fā)動機兩點點火實驗系統(tǒng)包括燃料/氧化劑供給系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和脈沖爆轟發(fā)動機實驗裝置。圖1是兩點點火脈沖爆轟發(fā)動機實驗系統(tǒng)示意圖。

圖1 兩點點火脈沖爆轟發(fā)動機實驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagram of pulse detonation engine by two ignition sources

脈沖爆轟發(fā)動機燃燒室直徑80 mm。點火系統(tǒng)包括信號發(fā)生器、點火發(fā)生器及點火頭。2個點火頭位置距離發(fā)動機封閉端距離依次為300 mm和560 mm，2個點火頭之間的點火時間間隔通過信號發(fā)生器控制。氧化劑為壓縮空氣，空氣通過在爆轟管壁上的小孔噴射入發(fā)動機內(nèi)，采用切向進氣方式，這樣可改善燃油霧化和摻混性能，通過調(diào)節(jié)瓶口減壓閥出口壓力控制進氣流量；燃料采用汽油，通過擠壓方式供油，燃油通過直射式噴嘴噴射。爆轟管壁上布置了7個PCB高頻響動態(tài)壓力傳感器，距離發(fā)動機封閉端距離依次為490、630、910、1 080、1 280、1 480、1 630 mm(下文中分別以PT1，PT2，…，PT7表示)，壓力數(shù)據(jù)通過NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集。脈沖爆轟發(fā)動機內(nèi)安裝了環(huán)形擾流片來強化燃燒，擾流片之間的間距為80 mm。

2 實驗結(jié)果及分析

為研究兩點點火對起爆過程及爆轟參數(shù)的影響，本文分別對單點點火及不同時間間隔兩點點火的脈沖爆轟發(fā)動機進行了實驗研究，兩者的實驗系統(tǒng)相同，脈沖爆轟發(fā)動機內(nèi)氧化劑/燃料填充條件也相同；點火器單點點火或兩點點火通過信號發(fā)生器控制，單點點火時點火位置距發(fā)動機封閉端為300 mm，兩點點火時靠近發(fā)動機封閉端的點火位置先點火，第二個點火位置在設(shè)定的時間間隔Δt后開始點火。

2.1 單點點火實驗結(jié)果及分析

首先進行了脈沖爆轟發(fā)動機單點點火實驗，發(fā)動機工作頻率為10 Hz。圖2為單點點火時不同位置處單個脈沖周期內(nèi)壓力曲線圖。

(a)PT1～PT3

(b)PT4～PT7

由圖2可知，在發(fā)動機點火之后，靠近點火區(qū)域的油氣混合物迅速點燃，反應(yīng)物燃燒釋放熱量形成向右傳播的激波，在此區(qū)域內(nèi)釋放能量較大，因而靠近此區(qū)域的壓力較高，PT1和PT2處的壓力峰值分別為1.1 MPa和1.2 MPa，PT3處的壓力峰值達到5.3 MPa。隨著激波向管口傳播，激波強度不斷減弱，其壓力逐漸降低，PT5、PT6和PT7上的壓力峰值均降至1 MPa以下，PT7上的壓力只有0.6 MPa左右。激波通過各傳感器位置的速度可由下面的公式求得

(1)

式中xPTN為第N(N=4，5，6，7)個傳感器距發(fā)動機封閉端的距離；tPTN為激波到達第N個傳感器的時間。

通過式(1)計算得到不同位置上的速度依次為1 067.1、944.0、866.1、830.7 m/s，可知激波傳播速度也是逐漸減慢。本次實驗中當(dāng)量比為0.9，根據(jù)CEA計算的結(jié)果，此時爆轟波的速度為1 759.7 m/s，因而可判斷在本次實驗條件下，單點點火在發(fā)動機內(nèi)只是形成了爆燃，未能形成爆轟波。

在本文試驗中，爆轟是通過緩燃向爆轟轉(zhuǎn)變的間接方式得到。根據(jù)Lee的理論[14]，在轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z波之前，火焰面的傳播速度要經(jīng)過一段持續(xù)增大的過程，當(dāng)達到適當(dāng)?shù)木植織l件時就會觸發(fā)爆轟的發(fā)生。但在本文單點點火條件下，發(fā)動機內(nèi)火焰面?zhèn)鞑ニ俣瘸掷m(xù)降低(本文中實際測出的是激波傳播速度，由于在未形成爆轟之前，火焰面是落后于激波陣面的，即火焰?zhèn)鞑ニ俣刃∮诩げㄋ俣?，因而導(dǎo)致未能形成爆轟。

此種情況不能產(chǎn)生爆轟的原因主要是在單點點火時，燃燒釋放的熱量不能為點火產(chǎn)生的激波傳播提供充分的能量，導(dǎo)致激波與燃燒波陣面的距離逐漸增大，激波的強度逐漸衰減，其傳播的速度也是逐漸降低，因而不能產(chǎn)生爆轟。

2.2 兩點點火實驗結(jié)果及分析

兩點點火的脈沖爆轟發(fā)動機實驗系統(tǒng)及實驗條件與單點點火時相同，2個點火源之間的間距為260 mm，點火時間間隔Δt分別為0.14、0.28、0.42、0.56、0.70、0.84、0.98、1.12、1.68、2.24 ms。表1給出了不同時間間隔下兩點點火時爆轟管不同位置處的壓力及速度參數(shù)。

表1 不同點火條件下的壓力峰值及速度值Table 1 Pressure peak value and velocity value at different ignition conditions

圖3和圖4(a)分別為點火間隔為0.14 ms時不同位置上的壓力曲線及單個爆轟周期內(nèi)的壓力曲線。從中可看出，各個傳感器位置上的壓力峰值較單點點火有較大幅度提高，但其速度提高較小，發(fā)動機尾部激波傳播速度在1 000 m/s左右。可以判定在這種情況下，發(fā)動機內(nèi)還未形成充分發(fā)展的爆轟波。同樣，點火間隔為0.28 ms(圖4(b))和0.42 ms時，發(fā)動機內(nèi)的壓力及波速都與間隔為0.14 ms時類似，說明在上述情況下，發(fā)動機內(nèi)未形成充分發(fā)展的爆轟波。

在單點點火時，通過分析可得到點火產(chǎn)生的壓縮波到達PT1和PT2之間的時間間隔約為0.3 ms(定義壓力升至該壓力傳感器測得的壓力最高值的10%時的時間為壓縮波陣面到達該處的時間)，由式(1)可知壓縮波在2個點火源之間的傳播速度約為550 m/s，據(jù)此可大致計算出壓縮波在2個點火源之間傳播的時間為0.47 ms。當(dāng)兩點點火時間間隔小于此時間時，由于點火時機與壓縮波陣面到達時間不匹配，此時2個點火源之間點火間隔時間太短，第一個點火源點火后產(chǎn)生的壓縮波還未到達第二個點火源所在的區(qū)域，第二個點火源點火后外加的點火能量未能與第一個點火源產(chǎn)生的燃燒過程相互耦合，發(fā)動機內(nèi)未能出現(xiàn)利于爆轟形成的條件。即當(dāng)點火間隔時間小于0.47 ms時，在本次實驗條件下采用兩點點火也不能在發(fā)動機內(nèi)形成穩(wěn)定的爆轟。

圖3 兩點點火不同位置壓力曲線(Δt=0.14 ms)Fig.3 Pressure profile at different positions by two ignition sources (Δt=0.14 ms)

(a)Δt=0.14 ms

(b)Δt=0.28 ms

當(dāng)點火間隔增大至0.56 ms時，爆轟管內(nèi)壓力變化不大(見圖5(a))，但是爆轟波的傳度速度較之前面幾種情況增大了近1倍，在爆轟管的尾部，爆轟波速度已超過1 700 m/s。當(dāng)繼續(xù)增大兩點點火之間的時間間隔時(圖5(b)、(c))，實驗測得脈沖爆轟發(fā)動機內(nèi)各傳感器位置處的平均壓力峰值均大致相同，PT3之后的傳感器上的峰值壓力都超過3 MPa(見圖6(b))，可以判定此種情況下，發(fā)動機內(nèi)產(chǎn)生了穩(wěn)定的爆轟波。

由前面的分析可知，當(dāng)兩點點火源之間距離一定且點火時間間隔超過某一臨界值后(本次實驗中為0.47 ms)，第一個點火源產(chǎn)生的壓縮波已傳過第二個點火源的點火區(qū)域，在此壓縮波作用下，第二個點火區(qū)域內(nèi)反應(yīng)混合物的溫度、壓力和密度升高，由于燃燒火焰陣面?zhèn)鞑サ乃俣刃∮趬嚎s波的傳播速度，此時該區(qū)域內(nèi)的混合物并未被點燃；在第二個點火源點火后，將形成一道更強的壓縮波向發(fā)動機管口傳播，此壓縮波的強度超過第一個點火源所產(chǎn)生的壓縮波，這些強壓縮波在發(fā)動機內(nèi)會疊加成火焰前方的前導(dǎo)激波，從而能誘導(dǎo)爆轟的產(chǎn)生。

圖7為不同點火間隔時不同位置上爆轟波的傳播速度。點火后，火焰加速過程有一個緩慢的加速過程，在PT1和PT2之前，由于點火后產(chǎn)生的壓縮波傳播速度一般小于500 m/s，在點火源附近區(qū)域火焰鋒面的傳播落后于壓縮波，可知火焰鋒面的傳播速度也是小于500 m/s；之后火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u增加，在未形成爆轟的情況下，其火焰陣面的傳播速度也是小于1 000 m/s(見圖7(a))；在爆轟發(fā)生前，火焰波的傳播速度往往有一個急劇的加速過程(見圖7(b))，爆轟形成之后，火焰陣面與前導(dǎo)激波耦合，可認為此時火焰陣面速度和激波速度相等，速度趨于穩(wěn)定，其速度在1 700～2 000 m/s。從圖7(b)還可知，在點火時間間隔大于0.56 ms且小于1.68 ms時，爆轟波速度在PT3和PT4之間發(fā)生急劇增大，即在PT3和PT4之間完成緩燃轉(zhuǎn)爆轟過程，此時緩燃轉(zhuǎn)爆轟的距離小于590 mm；當(dāng)點火時間間隔大于1.68 ms時，在PT2和PT3之間已完成緩燃轉(zhuǎn)爆轟過程，即緩燃轉(zhuǎn)爆轟的距離小于420 mm，說明當(dāng)點火時間間隔適當(dāng)增大之后，能縮短緩燃轉(zhuǎn)爆轟的距離。

(a)Δt=0.56 ms (b)Δt=1.12 ms (c)Δt=1.68 ms

圖5 兩點點火時不同位置單個周期內(nèi)壓力曲線

Fig.5 Pressure profile at different positions in a single cycle by two ignition sources

(a)未形成爆轟

(b)形成爆轟

(a)未形成爆轟

(b)形成爆轟

3 結(jié)論

(1)兩點點火能強化脈沖爆轟發(fā)動機的起爆過程，促進發(fā)動機內(nèi)爆轟波的形成；能有效縮短脈沖爆轟發(fā)動機內(nèi)緩燃轉(zhuǎn)爆轟的距離。

(2)兩點點火的時間間隔對爆轟的形成有重要影響，當(dāng)兩點點火源距離一定，點火間隔時間需大于某一臨界值，亦即只有當(dāng)?shù)诙€點火源點火時刻在第一個點火源點火產(chǎn)生的壓力波陣面到達之后時，才能形成有利于爆轟形成的條件。

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(編輯：呂耀輝)

Experimental study of ignition in pulse detonation engine by two ignition sources

BAI Qiao-dong,WENG Chun-sheng,XU Gui-yang,YANG Jian-lu,HUANG Xiao-long

(Key Laboratory of Transit Physics, Nanjing University of Science & Technology,Nanjing 210094)

To investigate the effects of two ignition sources in pulse detonation engine on the propagation of detonation wave,the ignition and propagation of detonation waves in pulse detonation engine were studied experimentally.The experimental results show that two ignition sources in pulse detonation engine can induce the formation of detonation wave.When the distance between the two ignition sources was 260 mm,the ignition time interval between the two ignition sources must be larger than a critical value (0.47 ms),the detonation wave can be formed in the pulse detonation engine.The distance of deflagration to detonation transition (DDT) can be shortened by increasing the time interval between the two ignition sources,the DDT run-up distance was shortened from 590 mm to 420 mm.

two ignition sources;deflagration to detonation transition;detonation wave;pulse detonation engine

2015-01-21；

：2015-03-07。

國家自然科學(xué)基金(11472138)。

白橋棟(1979—)，男，博士，研究方向為爆轟推進技術(shù)。E-mail:qd_bai@126.com

V439

A

1006-2793(2015)06-0821-06

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.06.013