魏雁昕　李寶星　翁春生

摘要：為了研究爆轟波在分叉管內(nèi)的傳播特性，對(duì)以H₂/O₂為燃料的分叉式脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。分別測(cè)試了不同工況條件下管內(nèi)不同采樣點(diǎn)爆轟波壓力，并對(duì)其變化過(guò)程進(jìn)行了深入分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：爆轟波在分叉管內(nèi)傳播過(guò)程中，分叉口下游主管道內(nèi)爆轟波在經(jīng)過(guò)6倍管徑長(zhǎng)度的過(guò)渡區(qū)后恢復(fù)穩(wěn)定，爆轟強(qiáng)度不變。爆轟波繞射進(jìn)入分叉支管2，并且在管壁發(fā)生多次碰撞和反射，形成過(guò)驅(qū)爆轟，在燃料充分填充的條件下可以恢復(fù)穩(wěn)定爆轟，爆轟強(qiáng)度與主管道內(nèi)爆轟波強(qiáng)度相同。在分叉支管2內(nèi)加裝擾流片對(duì)加快形成爆轟的影響甚小，分叉支管2內(nèi)燃料填充率是形成穩(wěn)定爆轟的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：爆轟波；分叉管；二次點(diǎn)火；進(jìn)氣壓力；擾流片

中圖分類(lèi)號(hào)：TJ763；V231.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-5048（2017）02-0049-06

0引言

爆轟波在傳播過(guò)程中，流通通道突然變化時(shí)會(huì)發(fā)生繞射。爆轟波繞射是爆轟波在管道內(nèi)傳播過(guò)程中的常見(jiàn)現(xiàn)象，一直受到眾多學(xué)者的關(guān)注。首先，從爆轟推進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用角度來(lái)看，研究爆轟波在分叉支管內(nèi)的繞射及演變情況有利于實(shí)現(xiàn)脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)（Pluse Detonation Engine，PDE）串聯(lián)點(diǎn)火起爆，降低點(diǎn)火能量，縮短起爆時(shí)間和距離，提高脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)工作頻率。其次，研究爆轟波在管道內(nèi)的繞射現(xiàn)象對(duì)于工業(yè)安全具有重要意義，明確爆轟波在復(fù)雜管路內(nèi)的傳播情況，有利于抑制爆轟的產(chǎn)生，降低工業(yè)生產(chǎn)中的風(fēng)險(xiǎn)。

爆轟波在分叉管路內(nèi)繞射現(xiàn)象，涉及誘導(dǎo)激波、爆轟波解耦、化學(xué)反應(yīng)區(qū)和幾何壁面的相互干擾等相關(guān)因素。臨界管徑概念是研究爆轟波在管路內(nèi)繞射的重要理論依據(jù)，即在其他參數(shù)確定的條件下，傳播管道的管徑存在一個(gè)臨界值，當(dāng)管徑小于臨界管徑時(shí)，爆轟波會(huì)發(fā)生熄爆現(xiàn)象。TJi Jian-ling等人采用航空煤油為燃料、O₂為氧化劑，進(jìn)行了變截面氣液兩相PDE實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：收斂結(jié)構(gòu)可以提高爆轟波壓力，大管和小管存在一個(gè)最佳管徑比，可以保證爆轟波在變截面流通通道內(nèi)保持穩(wěn)定傳播。Hoke J等人以航空汽油為燃料、N₂O為氧化劑，進(jìn)行了PDE預(yù)爆轟點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)研究，分析了點(diǎn)火過(guò)程對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力的影響，結(jié)果表明：采用預(yù)爆轟點(diǎn)火方式下發(fā)動(dòng)機(jī)推力相較于傳統(tǒng)點(diǎn)火方式有明顯提高。Pintgen F等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，觀(guān)察到爆轟波在兩種不同混合氣體中的繞射過(guò)程，采用激光誘導(dǎo)熒光成像技術(shù)獲得了管內(nèi)不同時(shí)刻O(píng)H原子團(tuán)的分布情況，清晰反映了爆轟波在解耦和二次點(diǎn)火過(guò)程中的傳播情況。Driscoll R等人采用C₂H₄/O₂/N₂，預(yù)混合氣體進(jìn)行了正交支管預(yù)爆轟點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)研究，分析了支管不同管長(zhǎng)和管徑對(duì)點(diǎn)火過(guò)程的影響，保持初始條件不變，改變支管的管徑和發(fā)動(dòng)機(jī)的工作頻率對(duì)爆轟波的波速和壓力峰值沒(méi)有影響。Smolinska A等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，得到爆轟波繞射后的胞格結(jié)構(gòu)，明確地反映了爆轟波的繞射過(guò)程。GuoChangming等人對(duì)爆轟波在分叉管內(nèi)傳播特征進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究，對(duì)爆轟波衰減、馬赫反射和爆轟波二次點(diǎn)火等過(guò)程進(jìn)行了討論。Hopper D R等人對(duì)分叉式PDE進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了正交排布和傾斜排布兩種分叉管排布方式對(duì)爆轟波傳播的影響，證明存在最小分叉管管長(zhǎng)，有效降低爆轟波的能量損失，提高PDE串聯(lián)點(diǎn)火效率。王昌建等人以H₂/O₂/Ar預(yù)混氣體為燃料，在不同初始?jí)毫l件下對(duì)爆轟波在矩形截面T型管內(nèi)傳播過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：T型分叉管對(duì)穩(wěn)定傳播爆轟波的影響是局部的，在分叉口下游區(qū)域（距分叉口4～6倍管徑處），爆轟波恢復(fù)穩(wěn)定傳播。潘振華。等人利用帶化學(xué)反應(yīng)的二維Euler方程，對(duì)H₂，O₂，Ar體積比為2：1：1的混合氣體在T型管內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了靜止系統(tǒng)和流動(dòng)系統(tǒng)中爆轟波繞射過(guò)程，迎風(fēng)面和順風(fēng)面爆轟波胞格結(jié)構(gòu)存在明顯差異。盧秦尉等人利用三階TVD格式對(duì)H₂/O₂/Ar混合氣體爆轟波在分叉管內(nèi)傳播過(guò)程進(jìn)行了二維數(shù)值計(jì)算，分析了不同組分濃度條件下爆轟波在分叉處熄爆解耦現(xiàn)象，研究了稀釋氬氣對(duì)爆轟波繞射的影響。范瑋等人對(duì)多分支管PDE進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了轉(zhuǎn)折角度對(duì)于爆轟波強(qiáng)度的影響，轉(zhuǎn)角越小，爆轟波在分支轉(zhuǎn)彎處壓力損失越小，分叉支管內(nèi)爆轟波壓力越高，采用漸變的過(guò)渡方式，對(duì)于維持爆轟波的強(qiáng)度是有益的。

本文以H₂/O₂，為燃料，以PDE為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在PDE尾部已經(jīng)形成穩(wěn)定爆轟位置加裝T型分叉支管結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析了不同填充條件和擾流片對(duì)爆轟波繞射的影響。

1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括燃料供給系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和PDE主體結(jié)構(gòu)和分叉支管。圖1為爆轟波在分叉支管內(nèi)傳播特性研究實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主體是內(nèi)徑30 mm的脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)，主體長(zhǎng)度1 200 mm，H₂和O₂，采用對(duì)撞噴注方式噴入脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)混合室。使用高能等離子體點(diǎn)火，點(diǎn)火位置距離發(fā)動(dòng)機(jī)封閉端190 mm，實(shí)驗(yàn)中只進(jìn)行單次點(diǎn)火，針對(duì)一個(gè)周期內(nèi)的爆轟波傳播情況進(jìn)行研究。為快速形成穩(wěn)定傳播的爆轟波，在點(diǎn)火頭下游70 mm處安裝有長(zhǎng)度為250 mm的擾流片。點(diǎn)火頭下游爆轟管內(nèi)依次布置了4個(gè)PCB動(dòng)態(tài)壓力傳感器，距離點(diǎn)火位置分別為400mm、500 mm、800 mm和900 mm。在距離點(diǎn)火頭700 mm處為一個(gè)三通結(jié)構(gòu)，連接一個(gè)長(zhǎng)度700mm、內(nèi)徑30 mm的分叉支管2。在分叉支管2上距離三通分叉處200 mm和440 mm分別布置了2個(gè)PCB動(dòng)態(tài)壓力傳感器。脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)HJO₂填充時(shí)間，以及點(diǎn)火時(shí)序均由一個(gè)自行設(shè)計(jì)的八通道單片機(jī)進(jìn)行控制，各通道之間的最小時(shí)間間隔為5 ms。高頻壓力采集系統(tǒng)由動(dòng)態(tài)壓力傳感器、數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)、采集卡和濾波器等設(shè)備與電腦相連，并采用一個(gè)自主開(kāi)發(fā)的采集軟件進(jìn)行控制。高頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)共有8個(gè)通道，采樣頻率設(shè)定為1MS/s。高頻壓力傳感器量程為3 450 kPa，靈敏度為1.45 mV/kPa，分辨率為0.014 kPa，諧振頻率大于等于500 kHz，上升時(shí)間小于等于1.0μs，低頻響應(yīng)0.01 Hz，非線(xiàn)性小于等于1.0%FS，工作溫度范圍為-73～+135℃，靈敏度溫度系數(shù)小于等于0.054%/℃。由于爆轟波溫度遠(yuǎn)高于壓力傳感器的工作條件，會(huì)導(dǎo)致壓力傳感器測(cè)試的數(shù)據(jù)有大的漂移，為此，在實(shí)驗(yàn)中采用冷卻水套對(duì)傳感器進(jìn)行冷卻，通過(guò)不斷注入的冷卻水將溫度保持在傳感器的工作范圍之內(nèi)。