鄭殿峰

（北京大學(xué)航空航天系，100871北京）

低溫等離子體點(diǎn)火乙炔／空氣爆震特性試驗(yàn)

鄭殿峰

（北京大學(xué)航空航天系，100871北京）

為研究交流驅(qū)動(dòng)低溫等離子體點(diǎn)火觸發(fā)爆震特性，在長(zhǎng)1.5 m、內(nèi)徑60 mm的爆震管上，以乙炔為燃料，空氣為氧化劑，按分壓法配氣，通過(guò)循環(huán)，使爆震管內(nèi)混氣混合均勻，進(jìn)行氣相單次爆震實(shí)驗(yàn).采用交流驅(qū)動(dòng)低溫等離子體點(diǎn)火，單次放電時(shí)間0.5ms，放電能量約為0.2 J.在點(diǎn)火的同時(shí)，用壓力傳感器和離子探針同時(shí)采集爆震管內(nèi)的壓力波和火焰?zhèn)鞑ヌ匦?實(shí)驗(yàn)表明：交流驅(qū)動(dòng)低溫等離子體實(shí)現(xiàn)了乙炔／空氣點(diǎn)火起爆過(guò)程，余氣系數(shù)0.6及1.0混氣產(chǎn)生很強(qiáng)的爆震波，余氣系數(shù)下降，混氣壓力下降，爆震波傳播速度和峰值壓力下降，DDT距離和時(shí)間增加；余氣系數(shù)1.4混氣不能產(chǎn)生爆震波.

脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)；低溫等離子體；交流驅(qū)動(dòng)；乙炔，點(diǎn)火；爆震

脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)（pulse detonation engine簡(jiǎn)稱(chēng)PDE）是一種利用周期性爆震波來(lái)產(chǎn)生推力的動(dòng)力裝置［1］.為了提高PDE工作頻率和改善動(dòng)力性能，必須縮短緩燃向爆震轉(zhuǎn)捩（deflagration to detonation transition，簡(jiǎn)稱(chēng)DDT）的距離和時(shí)間.DDT主要是通過(guò)弱小的點(diǎn)火能量產(chǎn)生緩燃波，最終通過(guò)激波和火焰的相互作用發(fā)展成爆震波.

PDE點(diǎn)火方式主要有火花塞、熱射流、低溫等離子體等，文獻(xiàn)［2-3］采用火花塞點(diǎn)火實(shí)現(xiàn)DDT過(guò)程，DDT距離取決于點(diǎn)火能量、點(diǎn)火位置、油氣比等.文獻(xiàn)［4］采用乙炔為燃料，空氣為氧化劑，用火花塞點(diǎn)火，研究爆震管內(nèi)的DDT過(guò)程.文獻(xiàn)［5-6］采用乙炔和空氣熱射流點(diǎn)火，可有效縮短DDT距離，并證明其比火花塞具有明顯優(yōu)勢(shì).為發(fā)展PDE先進(jìn)的點(diǎn)火技術(shù)，國(guó)外采用納秒脈沖放電低溫等離子體點(diǎn)火起爆技術(shù)，目的是進(jìn)一步縮短DDT距離和時(shí)間，提高爆震頻率，增加有效推力.文獻(xiàn)［7-8］使用納秒脈沖電源電壓80 kV、脈寬50 ns，實(shí)現(xiàn)了大體積點(diǎn)火，顯著地縮短點(diǎn)火延遲時(shí)間.文獻(xiàn)［9］使用脈沖放電點(diǎn)火效率可達(dá)60%，比火花塞點(diǎn)火效率（5%）高一個(gè)數(shù)量級(jí).文獻(xiàn)［10］使用脈沖放電，實(shí)現(xiàn)了乙烯／空氣在氣流速度100m／s，及汽油／空氣氣流速度55 m／s時(shí)的成功點(diǎn)火.文獻(xiàn)［11-12］將納秒脈沖放電點(diǎn)火，實(shí)現(xiàn)乙烯與470 K空氣為工質(zhì)的PDE協(xié)調(diào)工作，頻率為80 Hz.交流驅(qū)動(dòng)低溫等離子體主要用于常規(guī)點(diǎn)火和助燃方面，文獻(xiàn)［13］采用交流驅(qū)動(dòng)介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生低溫等離子體，對(duì)丙烷燃料點(diǎn)火助燃，提高了火焰穩(wěn)定性，降低貧油極限.文獻(xiàn)［14］使用交流驅(qū)動(dòng)低溫等離子體，提高甲烷火焰?zhèn)鞑ニ俣?0%.文獻(xiàn)［15］采用直流電源驅(qū)動(dòng)，以氬氣為工作介質(zhì)，研究了等離子體點(diǎn)火器的射流特性.文獻(xiàn)［16］采用交流驅(qū)動(dòng)低溫等離子體，使低熱值氣體燃料可靠點(diǎn)火和穩(wěn)定燃燒.文獻(xiàn)［17］采用CE／SE數(shù)值方法，研究等離子體射流點(diǎn)火對(duì)爆震特性的影響.

產(chǎn)生低溫等離子體主要有納秒脈沖放電和交流驅(qū)動(dòng)介質(zhì)阻擋放電兩種方式，其能產(chǎn)生體積大，能量密度高的低溫等離子態(tài)活性物質(zhì)，點(diǎn)火效率高.本文通過(guò)建立氣體燃料點(diǎn)火起爆實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)交流驅(qū)動(dòng)低溫等離子體進(jìn)行放電頻率和時(shí)間控制，在爆震管頭部瞬時(shí)產(chǎn)生低溫等離子體，點(diǎn)燃放電區(qū)可燃混氣，再由放電區(qū)火焰點(diǎn)燃爆震管頭部的混氣，從而完成點(diǎn)火起爆過(guò)程.在點(diǎn)火的同時(shí)，用壓力傳感器和離子探針同時(shí)測(cè)量激波和火焰的傳播速度，再改變混氣的壓力和余氣系數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

單次點(diǎn)火起爆實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，包括爆震管1、充氣與循環(huán)系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)等，爆震管1頭部安裝低溫等離子體點(diǎn)火器，爆震管出口用法蘭將塑料薄膜壓緊.閥10接口為壓縮空氣，用以檢查系統(tǒng)氣密性，及吹除系統(tǒng)廢氣.閥11、閥12接口為填充空氣和純氧，閥13、14、15接口為填充不同的氣體燃料.抽真空流程：打開(kāi)閥門(mén)3、6、7、8、9，關(guān)閉其余所有閥門(mén)，用真空泵抽出系統(tǒng)空氣，由真空表確定真空度，關(guān)閉閥9，再關(guān)閉真空泵電源.乙炔填充流程：打開(kāi)乙炔進(jìn)口閥門(mén)15，乙炔經(jīng)過(guò)閥門(mén)7、3進(jìn)入爆震管1，由真空表核準(zhǔn)填充乙炔份額的分壓力，關(guān)閉乙炔閥門(mén)14，再打開(kāi)閥門(mén)11，向?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)填充空氣至常壓.乙炔和空氣循環(huán)流程是：打開(kāi)閥門(mén)3、6、5，關(guān)閉其余閥門(mén)，開(kāi)啟循環(huán)泵，混氣的循環(huán)路徑為循環(huán)泵—閥6—閥5—爆震管1—閥3—循環(huán)泵.經(jīng)過(guò)循環(huán)5～8 min后，可燃混氣混合均勻，關(guān)閉循環(huán)泵.點(diǎn)火起爆流程：關(guān)閉閥門(mén)3、5，通過(guò)同步控制器，觸發(fā)低溫等離子體電源點(diǎn)火的同時(shí)，壓力傳感器和離子探針同時(shí)采集數(shù)據(jù).

1.2 爆震管結(jié)構(gòu)

爆震管1結(jié)構(gòu)如圖2所示.爆震管長(zhǎng)1.5 m，內(nèi)徑60 mm，頭部安裝低溫等離子體點(diǎn)火器.爆震管內(nèi)安裝44%堵塞比的圓環(huán)型擾流片，片數(shù)9，間距60 mm.第一片擾流片距爆震管頭部封閉端230mm，最后一個(gè)擾流片距爆震管頭部間距0.71 m.在爆震管1上下同一截面，對(duì)應(yīng)安裝12對(duì)壓力傳感器和離子探針安裝座，第一對(duì)距爆震管頭部頂端140 mm，安裝間距120 mm.

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖2 爆震管1結(jié)構(gòu)（mm）

1.3 電源與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

低溫等離子體電源及頻率控制器如圖3所示.低溫等離子體電源交流電正弦波頻率30 kHz、輸出電壓0～40 kV.通過(guò)頻率控制器，實(shí)現(xiàn)低溫等離子體點(diǎn)火器單次放電時(shí)間為0.5ms，單次放電能量0.2 J左右.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為NI公司開(kāi)發(fā)的NIPXI-1042Q采集系統(tǒng)，共有16個(gè)并行通道，每個(gè)通道頻響為2.5 MHz；PCB高頻壓力傳感器（113A22，頻響500 kHz）測(cè)量峰值壓力，離子探針測(cè)量火焰?zhèn)鞑ニ俣?

圖3 低溫等離子體電源和控制器照片

1.4 低溫等離子體點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)

圓環(huán)形點(diǎn)火器如圖4所示.高壓電極直徑20 mm，安裝在爆震管頭部封閉端中心處，高壓電極外側(cè)為剛玉管，剛玉管外徑25 mm.圓環(huán)形低壓電極與爆震管頭部封閉端連接，內(nèi)徑33 mm，其上開(kāi)24個(gè)直徑4 mm的圓孔，放電區(qū)長(zhǎng)度40 mm，放電間隙4 mm.

1.5 實(shí)驗(yàn)工況

以乙炔為燃料，空氣為氧化劑，燃料混氣的余氣系數(shù)為0.6、1.0、1.4，混氣壓力分別為0.1、0.08、0.06、0.04 MPa.9個(gè)離子探針距爆震管封閉端距離分別為0.27、0.39、0.51、0.63、0.75、0.87、0.99、1.11、1.23 m，5個(gè)壓力傳感器距爆震管封閉端距離分別為0.27、0.51、0.75、0.99、1.23 m.

圖4 圓環(huán)形等離子體點(diǎn)火器

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 離子探針測(cè)量火焰?zhèn)鞑ニ俣?/p>

低溫等離子體點(diǎn)火后，火焰從爆震管封閉端，經(jīng)過(guò)由緩燃向爆震的轉(zhuǎn)捩過(guò)程，向出口迅速傳播.火焰前鋒由激波后緊跟燃燒波組成，當(dāng)火焰前鋒經(jīng)過(guò)離子探針時(shí)，離子探針導(dǎo)通，即可判斷火焰的發(fā)展進(jìn)程，由高頻壓力傳感器測(cè)量火焰前鋒激波壓力，即爆震波峰值壓力或緩燃波壓力.表1是根據(jù)Gaseq軟件，計(jì)算出不同狀態(tài)下乙炔／空氣爆震波速度VC-J和峰值壓力PC-J，這是根據(jù)計(jì)算得到的理想狀態(tài)數(shù)據(jù)，但試驗(yàn)中爆震管內(nèi)設(shè)置擾流器，實(shí)驗(yàn)條件與理想狀態(tài)有差別.

表1 不同工況下乙炔／空氣混合氣C-J爆震波的峰值壓力和傳播速度

圖5為從點(diǎn)火時(shí)刻起，所有離子探針測(cè)到的火焰信號(hào)傳播時(shí)間，只給出部分圖形，P為混氣壓力，a為余氣系數(shù)．從圖可知：①在不同壓力和余氣系數(shù)下，低溫等離子體成功點(diǎn)火起爆乙炔和空氣混氣，爆震管上不同位置的離子探針都測(cè)到了火焰?zhèn)鞑バ盘?hào)，說(shuō)明火焰從爆震管頭部點(diǎn)火區(qū)，迅速傳出爆震管；②在相同的混氣壓力下，對(duì)余氣系數(shù)0.6及1.0乙炔燃料混氣，離子探針測(cè)到的火焰信號(hào)很強(qiáng)，燃燒劇烈，而余氣系數(shù)1.4乙炔燃料混氣，離子探針測(cè)到的火焰信號(hào)比較弱，燃燒緩慢.離子探針的電壓值越接近于零，說(shuō)明燃燒離子濃度越高，燃燒劇烈，電壓值偏離零值并快速上升，說(shuō)明燃燒離子濃度相對(duì)低，燃燒緩慢；③余氣系數(shù)0.6可燃混氣，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，DDT距離和時(shí)間短.實(shí)驗(yàn)得出，余氣系數(shù)0.6比1.0混氣火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，爆震性能好，與表1結(jié)果相吻合，主要是因?yàn)樵谝胰埠涂諝獾母蝗剂匣鞖庵?，與貧燃料混氣相比，提高了燃料分子濃度，使氧分子與乙炔分子發(fā)生有效碰撞的機(jī)會(huì)大幅度提高，從而使化學(xué)反應(yīng)速度加快，提高爆震特性；④混氣壓力下降，離子探針測(cè)得的火焰?zhèn)鞑r(shí)間增加，主要是混氣壓力下降，燃料濃度減小，化學(xué)反應(yīng)速度降低的緣故.

圖6為不同壓力和余氣系數(shù)下的火焰?zhèn)鞑ニ俣龋鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣葹橄噜弮蓚€(gè)離子探針間距除以火焰穿過(guò)兩個(gè)離子探針時(shí)間差，即為相鄰兩個(gè)離子探針間距的平均速度［18］，從圖可知：①余氣系數(shù)0.6，混氣壓力0.10～0.04 MPa，爆震管內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣冉咏? km／s（見(jiàn)表1），認(rèn)為產(chǎn)生了爆震波.混氣壓力0.10、0.08、0.06、0.04 MPa，DDT距離分別約為0.69、0.81、0.81、1.17 m.余氣系數(shù)1.0，混氣壓力0.1～0.06 MPa時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣却笥? 868 m／s（見(jiàn)表1），認(rèn)為產(chǎn)生了爆震波，混氣壓力0.10、0.08、0.06 MPa，DDT距離分別約為1.05、1.12、1.12 m，混氣壓力0.04 MPa時(shí)沒(méi)有產(chǎn)生爆震波.余氣系數(shù)1.4，火焰?zhèn)鞑ニ俣刃∮? 754 m／s（見(jiàn)表1），不同壓力混氣沒(méi)有產(chǎn)生爆震波.可見(jiàn)，余氣系數(shù)由0.6到1.0，DDT距離增加，產(chǎn)生爆震波的混氣壓力升高，余氣系數(shù)1.4不能產(chǎn)生爆震波；②混氣壓力0.1、0.08、0.06 MPa，火焰?zhèn)鞑ニ俣炔顒e很小，說(shuō)明可燃混氣壓力高于某一壓力，燃燒化學(xué)反應(yīng)迅速，當(dāng)?shù)陀谀骋粔毫?，燃燒化學(xué)反應(yīng)緩慢，這一壓力可能在0.05 MPa左右；③產(chǎn)生爆震波的速度曲線上升后，平直發(fā)展，沒(méi)產(chǎn)生爆震波的速度曲線先上升，后下降.這主要是由于離子探針裝在爆震管中心軸向位置，火焰?zhèn)鞒鰯_流片后（最后一片距爆震管頭部0.71m），通道面積擴(kuò)張，火焰?zhèn)鞑ニ俣葧?huì)下降，最高速度點(diǎn)在0.8 m左右，而混氣壓力高，余氣系數(shù)0.6，爆震燃燒劇烈，爆震管面積的擴(kuò)張對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懖淮?

圖5 爆震管上不同位置離子探針信號(hào)時(shí)序圖

圖6 火焰?zhèn)鞑ニ俣?/p>

圖7 是不同位置的離子探針測(cè)到的火焰?zhèn)鞑r(shí)間，從圖可知：①同一余氣系數(shù)下，混氣壓力的下降，火焰?zhèn)鞑r(shí)間增加.同一壓力下，余氣系數(shù)下降，火焰?zhèn)鞑r(shí)間增加，特別是余氣系數(shù)1.4的燃料混氣，火焰?zhèn)鞑r(shí)間大幅度增加；②余氣系數(shù)0.6和1.0，混氣壓力0.1、0.08、0.06 MPa，離子探針測(cè)到的火焰?zhèn)鞑r(shí)間比較接近，混氣壓力0.04 MPa，火焰?zhèn)鞑r(shí)間增加一倍以上；③火焰到達(dá)第一個(gè)離子探針?biāo)玫臅r(shí)間，占火焰在爆震管內(nèi)傳播的大部分時(shí)間，初始火焰發(fā)展較慢，從第一個(gè)離子探針到火焰?zhèn)鞒霰鸸?，所用的時(shí)間很短，說(shuō)明初始火焰的形成和發(fā)展對(duì)爆震波的形成具有重要作用.

2.2 壓力傳感器測(cè)量爆震波峰值壓力

圖8為余氣系數(shù)0.6，壓力傳感器測(cè)到的壓力波曲線，由表1的PC-J判斷是否產(chǎn)生爆震波.從圖可知：①混氣壓力0.1、0.08、0.06、0.04 MPa，爆震波峰值壓力分別為5.08、4.22、2.21、1.84 MPa，大于表1相應(yīng)的PC-J，認(rèn)為不同壓力混氣產(chǎn)生了爆震波.根據(jù)圖8，計(jì)算壓力傳感器0.75 m和0.99 m之間的激波速度，混氣壓力0.1、0.08、0.06、0.04 MPa，激波速度分別為2 000、2 000、1 935、1 846 m／s，與表1的VC-J基本耦合，認(rèn)為產(chǎn)生了C-J爆震波；②混氣壓力的下降，爆震波峰值壓力下降，混氣壓力對(duì)爆震波峰值壓力有很大影響；③混氣壓力大于0.06 MPa，DDT距離小于0.51 m，DDT時(shí)間小于3 ms，比用表1的VC-J判斷的DDT距離小，這時(shí)激波和火焰還沒(méi)有耦合.第一個(gè)壓力傳感器測(cè)到的壓力小于1.16 MPa，說(shuō)明在距爆震管頭部0.27 m處，還沒(méi)有產(chǎn)生爆震波；④混氣壓力下降，壓力傳感器測(cè)到的爆震波峰值壓力的時(shí)間增加.混氣壓力從0.1 MPa下降到0.06 MPa，第五個(gè)壓力傳感器測(cè)得的爆震波峰值時(shí)間從2.58ms增加到3.43 ms，而混氣壓力從0.06 MPa下降到0.04 MPa，測(cè)到的壓力波峰值從3.43 ms增加到5.36 ms.可見(jiàn)，混氣壓力低于一定值后，火焰?zhèn)鞑ニ俣妊杆傧陆?

圖7 火焰?zhèn)鞑r(shí)間

圖8 不同起始?jí)毫ο掠鄽庀禂?shù)0.6時(shí)爆震波峰值壓力

圖9為余氣系數(shù)1.0的壓力波曲線，從圖可知：①與余氣系數(shù)0.6相比，所測(cè)得的爆震波峰值壓力下降，混氣壓力0.1、0.08、0.06 MPa，爆震波峰值壓力分別為3.78、3.45、2.35 MPa，大于表1相應(yīng)的PC-J，認(rèn)為不同壓力混氣產(chǎn)生了爆震波.根據(jù)圖9，計(jì)算壓力傳感器0.99 m和1.23 m之間的激波速度，混氣壓力0.1、0.08、0.06 MPa，激波速度分別為1 832、1 818、1 791 m／s，與表1的VC-J基本耦合，認(rèn)為產(chǎn)生了C-J爆震波.而混氣壓力0.04 MPa，壓力波峰值0.62 MPa，小于表1對(duì)應(yīng)的PC-J壓力，沒(méi)有產(chǎn)生爆震波；②第一和第二個(gè)壓力傳感器測(cè)得的壓力波峰值小，沒(méi)有產(chǎn)生爆震波；③余氣系數(shù)從0.6下降到1.0，壓力傳感器所測(cè)到的爆震波（壓力波）峰值壓力時(shí)間增加.

圖10為余氣系數(shù)1.4的壓力波曲線，從圖可知：①不同混氣壓力下，測(cè)到的壓力波峰值小于表1對(duì)應(yīng)的PC-J壓力，沒(méi)有產(chǎn)生爆震波；②混氣壓力下降，壓力波峰值下降，傳播時(shí)間增加.

圖9 不同起始?jí)毫ο掠鄽庀禂?shù)1.0時(shí)爆震波峰值壓力

圖10 不同起始?jí)毫ο掠鄽庀禂?shù)1.4時(shí)爆震波峰值壓力

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)連續(xù)交流驅(qū)動(dòng)低溫等離子體實(shí)施頻率控制，單次放電時(shí)間0.5 ms，采用圓環(huán)型同軸低溫等離子體點(diǎn)火器，安裝在爆震管頭部，對(duì)乙炔／空氣的可燃混氣進(jìn)行單次點(diǎn)火爆震實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1）頻控交流驅(qū)動(dòng)低溫等離子體以大體積點(diǎn)火方式，成功實(shí)現(xiàn)乙炔／空氣點(diǎn)火起爆過(guò)程.

2）余氣系數(shù)0.6及1.0的乙炔和空氣混氣能夠產(chǎn)生很強(qiáng)的爆震波，余氣系數(shù)1.4的乙炔和空氣混氣不能產(chǎn)生爆震波.余氣系數(shù)下降，爆震波傳播速度和峰值壓力下降.

3）混氣壓力下降，爆震波傳播速度和峰值壓力下降，DDT距離和時(shí)間增加，壓力降到0.06 MPa以下，火焰?zhèn)鞑ニ俣妊杆傧陆?，無(wú)法產(chǎn)生爆震波.

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（編輯張 宏）

Experimental research on detonation combustion of acetylene／air m ixture igniting by low-tem perature plasma

ZHENG Dianfeng
（Dept.of Aeronautics and Astronautics，Peking University，100871 Beijing，China）

In order to obtain the characterization of AC driven low-temperature plasma initiating the detonation combustion，single-trial detonation has been ignited by low-temperature plasma using acetylene as fuel and the air as oxidant in a 1.5 m long detonation tube and with 60mm inner diameter.The air and acetylene were filled in the tube according to Dalton law of additive pressure.The air and acetylene would be mixed uniformly by circulating pump.The discharge time of the AC driven low-temperature plasma igniter was 0.5 ms and the energy was 0.2 J once.Meanwhile，propagation characteristics of flame and pressurewaveweremeasured by ion probes and pressure sensors.The experimental results indicated that low-temperature plasma ignited detonation combustion successfully in the mixture when the excess air coefficients were 1.0 and 0.6；the peak pressure values of detonation waves reduced as the initial pressure and the excess air coefficient went down，meanwhile the DDT（Deflagration to Detonation Transition）time and distance increased.Detonation waves cannot be generated in the detonation tube when the excess air coefficientwas 1.4.

pulse detonation engine；low-temperature plasma；AC driven；acetylene；ignition；detonation

V235

：A

：0367-6234（2015）11-0015-07

10.11918／j.issn.0367-6234.2015.11.003

2014-09-23.

國(guó)家自然基金資助（51176001）.

鄭殿峰（1966—），男，高級(jí)工程師.

鄭殿峰，nddbb＠126.com.