劉　龍，夏智勛，黃利亞

(1. 國(guó)防科技大學(xué)高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長(zhǎng)沙 410073；2. 國(guó)防科技大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院， 長(zhǎng)沙 410073)

0　引　言

爆震發(fā)動(dòng)機(jī)憑借能量釋放速率快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、熱循環(huán)效率高、推重比大等優(yōu)點(diǎn)，日漸受到人們的廣泛關(guān)注。目前爆震發(fā)動(dòng)機(jī)所用燃料主要為氣體(H2、CH4等)和液體(汽油、煤油等)，根據(jù)表1中數(shù)據(jù)，H2和煤油與幾種典型的粉末燃料(Al、Mg、B、C等)相比，其質(zhì)量熱值都有較大優(yōu)勢(shì)，但粉末燃料的體積熱值普遍高于傳統(tǒng)的液體、氣體燃料，即使在考慮粉末燃料裝填空隙的條件下，粉末燃料的裝填率可達(dá)到60%左右[1]，此時(shí)粉末燃料的體積熱值相比液體、氣體燃料仍有優(yōu)勢(shì)，即對(duì)于體積一定的燃料箱，裝填粉末燃料能夠?yàn)轱w行器動(dòng)力系統(tǒng)提供更多能量。同時(shí)，粉末燃料在貯存、使用過(guò)程中安全性高，粉末燃料著火燃燒不需考慮霧化問(wèn)題。但作為爆震燃料粉末燃料亦有其不足，在傳統(tǒng)氣相燃料爆震中，化學(xué)反應(yīng)在分子層面進(jìn)行，以預(yù)混燃燒反應(yīng)為主，反應(yīng)速率高，而粉末燃料的著火燃燒過(guò)程主要發(fā)生在粉末顆粒的表面或周?chē)鷧^(qū)域，以表面燃燒(C、B等)或蒸發(fā)擴(kuò)散燃燒(Al、Mg等)反應(yīng)為主，反應(yīng)速率較低，表現(xiàn)為燃料的點(diǎn)火延遲時(shí)間較長(zhǎng)，直接起爆難度較大。因此若能夠通過(guò)一定技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)粉末燃料的穩(wěn)定、可靠直接起爆，或者將粉末燃料作為燃料添加劑應(yīng)用于氣體、液體燃料爆震推進(jìn)系統(tǒng)，結(jié)合氣體、液體燃料容易起爆，粉末燃料燃燒放熱多的優(yōu)點(diǎn)，有望顯著提高現(xiàn)有爆震發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能。

本文以粉末燃料爆震研究進(jìn)展為主線，以純粉末燃料爆震波、混合燃料爆震波為重點(diǎn)，綜述了其在實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究方面的進(jìn)程和成果；總結(jié)分析了目前實(shí)驗(yàn)手段及數(shù)值模擬方法的特點(diǎn)和不足；以此為依據(jù)提出了后續(xù)研究重點(diǎn)。

表1　不同燃料的質(zhì)量熱值和體積熱值Table 1　Enthalpy of reaction per unit of mass and volume of different fuels

1　純粉末燃料爆震波

1.1　爆震波一維結(jié)構(gòu)

圖1所示為典型的粉末爆震波一維結(jié)構(gòu)示意圖，粉末燃料經(jīng)過(guò)前導(dǎo)激波后在誘導(dǎo)區(qū)內(nèi)受熱升溫實(shí)現(xiàn)著火，在后續(xù)的燃燒區(qū)內(nèi)與氧化性氣體反應(yīng)釋放能量用以維持爆震波的傳播。由于粉末燃料化學(xué)反應(yīng)速率較低，粉末爆震波結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)區(qū)和燃燒區(qū)厚度量級(jí)相當(dāng)，與氣相燃料爆震波結(jié)構(gòu)(誘導(dǎo)區(qū)厚度比燃燒區(qū)高出1個(gè)量級(jí))存在明顯不同，即便如此，仍有部分粉末燃料在燃燒區(qū)內(nèi)未能實(shí)現(xiàn)完全燃燒，通過(guò)CJ平面(馬赫數(shù)為1的平面)之后繼續(xù)反應(yīng)，但此時(shí)反應(yīng)放熱對(duì)維持爆震波傳播不再有貢獻(xiàn)。

圖1　爆震波結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Scheme of detonation wave structure

Lee等[2]對(duì)燕麥粉的爆震燃燒問(wèn)題，在歐拉坐標(biāo)系下采用雙流體模型建立了粉末爆震一維模型，模型考慮了氣相與顆粒相之間的速度和溫度延遲、氣固混合物與管壁的摩擦損失熱交換損失以及燃燒反應(yīng)輻射損失。結(jié)果表明，在一定的粉末濃度范圍內(nèi)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，但計(jì)算得到的爆震波速度仍略高于實(shí)驗(yàn)測(cè)量值。而對(duì)于粉末濃度較高的情況，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值偏差較大。

Khasainov[3]和Veyssiere[4]對(duì)淀粉顆粒在O2中的爆震燃燒問(wèn)題建立了一維爆震模型，模型中的氣化參數(shù)是控制淀粉顆粒放熱反應(yīng)的關(guān)鍵，在合適的氣化參數(shù)下，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，但當(dāng)?shù)矸蹪舛瘸^(guò)4000 g/m3后，實(shí)驗(yàn)證明爆震波存在，而此模型無(wú)法求解。同時(shí)此模型能夠解釋實(shí)驗(yàn)得到的爆震波速度不同是由于其粉末粒徑、爆震管內(nèi)徑以及爆震管長(zhǎng)度差異所造成的。此外，文獻(xiàn)中給出了經(jīng)簡(jiǎn)化的爆震波熱力平衡速度預(yù)估公式：

(1)

式中：γCJ為CJ面處的混合物比熱比，Q為反應(yīng)熱。計(jì)算結(jié)果與已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，而對(duì)于粉末濃度較高的情況，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值偏差較大。

采用類(lèi)似的松弛參數(shù)方法，F(xiàn)edorov對(duì)含瀝青成分的碳粉顆粒在O2中的爆震燃燒過(guò)程展開(kāi)一維建模[6-7]，此模型將化學(xué)反應(yīng)源項(xiàng)簡(jiǎn)化為3類(lèi)：可揮發(fā)碳?xì)浠衔?瀝青)的高溫分解和燃燒以及煤顆粒表面燃燒。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，爆震波的穩(wěn)態(tài)速度是碳粉顆粒初始濃度以及碳粉顆粒點(diǎn)火延遲時(shí)間的函數(shù)；可揮發(fā)碳?xì)浠衔锏母邷胤纸夂腿紵约疤挤垲w粒表面燃燒動(dòng)力學(xué)參數(shù)是影響碳粉顆粒的燃燒時(shí)間的關(guān)鍵因素，而碳粉顆粒多孔性導(dǎo)致的表面積增加對(duì)燃燒過(guò)程影響甚微；通過(guò)分析前導(dǎo)激波后的流場(chǎng)參數(shù)，認(rèn)為碳粉顆粒的燃燒時(shí)間遠(yuǎn)大于其點(diǎn)火延遲時(shí)間以及兩相間的速度和溫度延遲時(shí)間，因此碳粉顆粒燃燒時(shí)間是決定爆震波能否維持傳播的關(guān)鍵。

1.2　爆震波空間結(jié)構(gòu)

有關(guān)粉末燃料爆震的實(shí)驗(yàn)研究起始于上世紀(jì)60年代。Strauss[8]、Tulis[9]、Borisov[10]、浦以康[11]、Zhang[12-14]、劉慶明[15-16]等多國(guó)學(xué)者在不同尺寸爆震管內(nèi)開(kāi)展了粉末燃料爆震實(shí)驗(yàn)研究，如表2所示。結(jié)果表明，要實(shí)現(xiàn)粉末燃料的爆震燃燒所需的爆燃轉(zhuǎn)爆震(Deflagration to Detonation Transition, DDT)距離明顯長(zhǎng)于氣體或液體燃料[17-18]，提高點(diǎn)火源的點(diǎn)火能量可以縮短DDT距離。實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的爆震波一維傳播速度大都存在明顯波動(dòng)，難以得到一個(gè)穩(wěn)定的爆震波速度值。其中，文獻(xiàn)[12-14,16]在爆震管同一截面不同周向位置布置傳感器，根據(jù)記錄的高頻壓力信號(hào)推斷出粉末爆震波在傳播過(guò)程中存在沿周向的速度分量，并非單純的一維平面結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[13]針對(duì)粉末爆震波的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究，認(rèn)為粉末爆震波的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)與爆震管內(nèi)徑D以及粉末爆震波胞格尺寸λ有關(guān)。當(dāng)D≤λ時(shí)，粉末爆震波為單頭結(jié)構(gòu)，此時(shí)前導(dǎo)激波后僅存在一道沿周向旋轉(zhuǎn)的橫波，三波點(diǎn)在內(nèi)壁面的運(yùn)動(dòng)軌跡為一條與爆震管軸線成一定夾角的斜線；當(dāng)D>λ時(shí)，粉末爆震波為多頭結(jié)構(gòu)，此時(shí)前導(dǎo)激波后沿周向的兩個(gè)方向都有橫波存在，三波點(diǎn)在內(nèi)壁面的運(yùn)動(dòng)軌跡交織形成胞格結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[14,19]中利用煙膜記錄得到的爆震波胞格結(jié)構(gòu)也與上述理論相符。此外，文獻(xiàn)[19]中還提出了關(guān)于爆震管最小內(nèi)徑與胞格尺寸之間的關(guān)系：

(2)

式中：d0、p0分別為粉末燃料初始粒徑以及氣相初始?jí)簭?qiáng)，參數(shù)m、n根據(jù)不同工況取值不同。當(dāng)D

表2　粉末爆震主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)[8-16]Table 2　Summary of main experiment results of powder fuels detonation

Fedorov等[20]針對(duì)Al-O2管道內(nèi)爆震問(wèn)題所建立了二維爆震模型，得到了詳細(xì)的橫向胞格尺寸，如圖2所示。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，計(jì)算域?qū)挾萗直接影響到胞格排列規(guī)律、尺寸大小分布，在胞格分布規(guī)律且尺寸相對(duì)均勻時(shí)，算例滿足網(wǎng)格無(wú)關(guān)性條件；胞格尺寸是顆粒的粒徑、點(diǎn)火延遲時(shí)間、燃燒時(shí)間以及兩相間的速度延遲時(shí)間、溫度延遲時(shí)間的函數(shù)，且與初值條件無(wú)關(guān)，針對(duì)胞格規(guī)則分布且尺寸相對(duì)均勻的穩(wěn)態(tài)爆震波，提出了胞格尺寸與顆粒粒徑關(guān)系式：

λ=λ0(d/d0)θ

(3)

式中：λ0=27 cm，d0=10 μm，θ=1.6；研究還發(fā)現(xiàn)，對(duì)于一維穩(wěn)態(tài)自維持爆震波而言，由波后兩相參數(shù)差值和延遲時(shí)間所對(duì)應(yīng)的距離所定義的特征尺寸，與粉末燃料粒徑也呈指數(shù)相關(guān)關(guān)系。此外，F(xiàn)edorov等[21]還針對(duì)不同顆粒粒徑分布的影響展開(kāi)研究。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，在一種粒徑占主導(dǎo)地位的條件下，爆震波胞格尺寸由占主導(dǎo)的粒徑顆粒決定；與單粒徑組分相比，爆震胞格形成變慢，橫波強(qiáng)度降低，三波點(diǎn)的峰值壓力有明顯降低；在一些粒徑組合中，胞格爆震波存在完全衰退的情況，存在一個(gè)不同粒徑顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)比的范圍，在此范圍內(nèi)，不會(huì)形成胞格，爆震波以平面形式傳播。

Benkiewicz等[22]針對(duì)Al-O2爆震問(wèn)題的二維模型，在計(jì)算方法方面采用了一種自適應(yīng)網(wǎng)格微調(diào)方法，增加了爆震波區(qū)域內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的分辨率(如激波面、不連續(xù)斷面、密度高梯度變化區(qū)域等)，開(kāi)展了對(duì)爆震波結(jié)構(gòu)和波前演變過(guò)程的精細(xì)研究。結(jié)果表明，雖然現(xiàn)象的尺度不同，但Al顆粒在O2氛圍的爆震過(guò)程與單純氣相爆震結(jié)果類(lèi)似，如三波點(diǎn)的發(fā)展，前導(dǎo)激波和橫波、三波點(diǎn)的震蕩，在爆震波后燃料駐留形成的口袋狀結(jié)構(gòu)以及其他一些特征現(xiàn)象；在0.12 m寬、0.6 m長(zhǎng)的計(jì)算域內(nèi)，粒徑2.5 μm的Al粉顆粒最終發(fā)展為雙波并列模式，且對(duì)于稀薄氣固混合物，顆粒濃度影響不大，此時(shí)爆震波胞格寬度尺寸約為6 cm量級(jí)，與文獻(xiàn)[21]中根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)估算的胞格尺寸0.05-0.10 m相符；對(duì)于1 μm粒徑的Al粉顆粒，胞格結(jié)構(gòu)更加精細(xì)，起初為11波并列模式，胞格特征寬度約為1.1 cm，隨后爆震波結(jié)構(gòu)變得略微不規(guī)則，發(fā)展為8.5波并列模式。此時(shí)胞格特征寬度約為1.4 cm；

圖2　二維爆震問(wèn)題胞格結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果[20]Fig.2　Computation results of cellar structure in the 2-D detonation problem

Tsuboi等[23]針對(duì)玉米淀粉-O2爆震開(kāi)展三維建模，數(shù)值計(jì)算得到了穩(wěn)定的雙向旋轉(zhuǎn)爆震波結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部的橫波傳播、三波點(diǎn)震蕩的細(xì)節(jié)信息，其所選的動(dòng)力學(xué)參數(shù)得到的爆震波軸向速度、旋轉(zhuǎn)速度與文獻(xiàn)[13]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合度較好。

韋偉等[24]針對(duì)Al-O2爆震問(wèn)題建立的二維模型考慮了氣體粘性作用在爆震波傳播過(guò)程中的影響。氣體粘性的存在使得爆震波傳播過(guò)程中阻力增加，傳播速度、峰值壓力均有所下降，但峰值速度更平穩(wěn)。尤其是壁面附近黏性效應(yīng)更加明顯，表現(xiàn)為管壁處徑向速度顯著增加，而軸向速度明顯下降。

由上述研究可以看出，在粉末濃度較高條件下現(xiàn)有模型計(jì)算結(jié)果并不理想，除粒徑、濃度以及顆粒物質(zhì)本身著火燃燒模式外，爆震管尺寸也是影響爆震波后流場(chǎng)參數(shù)及胞格尺寸的重要因素。為實(shí)現(xiàn)粉末燃料的爆震燃燒，對(duì)爆震管管徑、管長(zhǎng)都有一定要求，雖然在采用高能量點(diǎn)火源以及活性更高的O2作為氧化劑的條件下，爆震管尺寸可以適當(dāng)減小(最小長(zhǎng)度約2.7 m)，但作為飛行器動(dòng)力系統(tǒng)仍然顯得過(guò)于龐大，限制了以純粉末作為燃料的爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的工程應(yīng)用。

2　混合燃料爆震波

2.1　爆震波一維結(jié)構(gòu)

在原本的氣相爆震系統(tǒng)中加入可反應(yīng)的粉末燃料便構(gòu)成了粉末燃料-氣相燃料-氣相氧化劑混合爆震系統(tǒng)。其中，氣相反應(yīng)的時(shí)間尺度遠(yuǎn)小于氣固兩相反應(yīng)，使前導(dǎo)激波后化學(xué)反應(yīng)整體熱量釋放速率隨時(shí)間呈非單調(diào)變化，爆震波結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，同時(shí)粉末顆粒不僅與初始?xì)庀嘟M分中的氧化性氣體反應(yīng)，也可能與氣相爆震燃燒產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，因此混合爆震系統(tǒng)中，不同氣相組分及粉末濃度條件下氣相反應(yīng)與氣固兩相反應(yīng)的進(jìn)行程度可能存在較大差異，與純粉末爆震相比混合爆震波傳播機(jī)理更加復(fù)雜。

Veyssiere[25]和Khasainov[26]等人在經(jīng)典的ZND非理想爆震模型的基礎(chǔ)上，以Al粉在H2-空氣氛圍中的爆震情況為例，建立一維混合爆震波模型，模型中假設(shè)Al粉主要跟氣相反應(yīng)產(chǎn)物水蒸氣反應(yīng)，根據(jù)爆震波后燃料能量釋放效果，將混合爆震波劃分為3種模式：第一種為Single-front detonation(SFD)模式，此時(shí)氣相燃料和固相顆粒燃料燃燒釋放的能量均用于維持爆震波的傳播，流場(chǎng)中僅有一處間斷面；第二種為Pseudo-gas detonation(PGD)模式，此時(shí)僅氣相燃料燃燒釋放的能量用于維持爆震波的傳播，在氣相爆震波CJ平面之前固相顆?？梢暈槎栊灶w粒，而在CJ平面后，固相顆粒在氣相爆震高溫產(chǎn)物氛圍中開(kāi)始著火燃燒；第三種是Double-front detonation(DFD)模式，此時(shí)存在兩道獨(dú)立的爆震波，即氣相燃料燃燒放熱維持的爆震波在前，固相顆粒燃料燃燒放熱維持的爆震波在后。在粉末顆粒燃料初始濃度較低時(shí)(100 g/m3)，爆震波最終以DFD模式穩(wěn)定傳播，而濃度較高時(shí)(250 g/m3)，爆震波先以PGD模式傳播，之后由于CJ平面后顆粒反應(yīng)產(chǎn)生的擾動(dòng)使爆震波加速并最終以SFD模式穩(wěn)定傳播。

Zhang等[27-29]針對(duì)在C2H2-空氣混合物中添加Al粉的爆震情形建立了一維混合爆震波模型，不同濃度和粉末粒徑條件下的混合爆震波數(shù)值計(jì)算結(jié)果與Veyssiere[25]和Khasainov[26]類(lèi)似，不同的是，Zhang將DFD模式又細(xì)分為2類(lèi)，當(dāng)Al粉粒徑較小時(shí)(10 μm)，兩爆震波之間的距離基本維持不變，而當(dāng)Al粉粒徑較大時(shí)(20 μm)，在傳播過(guò)程中兩爆震波之間的距離出現(xiàn)周期性震蕩。

Uphoff等[30]提出了一種通用形式的一維混合爆震波模型，并針對(duì)C粉在H2-空氣氛圍中的爆震情形開(kāi)展算例研究，其中氣相H2-O2反應(yīng)涉及8種組分，16個(gè)基元反應(yīng)，而C粉顆粒除了考慮與O2分子反應(yīng)外，也考慮其與H2-O2反應(yīng)的中間產(chǎn)物O、OH反應(yīng)。計(jì)算結(jié)果表明，即使最終爆震波能夠以雙波峰形式(DFD模式)傳播，顆粒經(jīng)歷兩爆震波后仍未反應(yīng)完全，且在顆粒濃度較低、反應(yīng)速率較低的條件下，傳播過(guò)程中爆震波壓力主峰存在明顯震蕩。

Carvel等[31]通過(guò)H2-O2-Ar混合物內(nèi)加入可燃顆粒或惰性顆粒的爆震實(shí)驗(yàn)證明，在一定的顆粒粒徑、顆粒濃度、氣相組分及初始?xì)鈮簵l件下，可燃顆粒與惰性顆粒對(duì)應(yīng)的爆震波結(jié)構(gòu)基本相同，存在明顯的雙波結(jié)構(gòu)，即此時(shí)爆震波均以DFD模式傳播。分析認(rèn)為可燃顆粒形成雙波結(jié)構(gòu)是由于固相顆粒的點(diǎn)火延遲所致，與文獻(xiàn)[32]中結(jié)論一致，而對(duì)于惰性顆粒形成雙波結(jié)構(gòu)，文中給出一種可能的解釋?zhuān)汗滔囝w粒相對(duì)于氣相存在速度滯后，在前導(dǎo)激波之后，固相顆粒密度并沒(méi)有隨氣相密度同步急劇上升，其密度激增點(diǎn)位于氣相密度激增點(diǎn)下游位置，處于后方的固相顆粒高密度區(qū)內(nèi)，顆粒之間相互作用比重增大，對(duì)氣相流動(dòng)起到一定阻滯所用，從而使壓力上升。

Wolinski等[33]在長(zhǎng)4.5 m，內(nèi)徑8 cm的爆震管內(nèi)開(kāi)展了燕麥粉-CH4-空氣混合物爆震實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用H2-O2產(chǎn)生的爆震波引爆混合物。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CH4-空氣混合物本身不易形成爆震波，而加入燕麥粉則有助于爆震波的形成，這是由于燕麥粉受熱揮發(fā)形成的氣相組分對(duì)爆震波形成起到了促進(jìn)作用，而波后懸浮顆粒在受熱形成的高溫?zé)狳c(diǎn)的同時(shí)也提高了混合物的湍流度，也有助于爆震波的形成；形成最強(qiáng)爆震波時(shí)對(duì)應(yīng)的燕麥粉濃度，隨氣相組分中CH4比例的增加而降低；燕麥粉濃度過(guò)高會(huì)抑制爆震波的形成，對(duì)應(yīng)CH4體積分?jǐn)?shù)為9%的工況條件，文中給出了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式用于計(jì)算爆震波熄滅的燕麥濃度上限

σ/d=1000 kg/m4

(4)

式中：σ為燕麥濃度上限，d為燕麥平均粒徑，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與此經(jīng)驗(yàn)公式符合度較好。

2.2　爆震波空間結(jié)構(gòu)

圖3　煙膜記錄的爆震波胞格結(jié)構(gòu)[32]Fig.3　Soot tracks of the detonation cellar structure

Veyssiere等[32]開(kāi)展Al-H2-空氣混合物的爆震實(shí)驗(yàn)研究，得到了具有雙波結(jié)構(gòu)的連續(xù)爆震波(DFD傳播模式)，分析認(rèn)為由于H2與Al顆粒點(diǎn)火延遲存在差距，第一道爆震波由H2燃燒反應(yīng)放熱維持，第二道爆震波由Al燃燒反應(yīng)放熱維持。實(shí)驗(yàn)中還嘗試用C2H4或C2H2替代H2，但沒(méi)有得到連續(xù)雙波結(jié)構(gòu)；隨后又針對(duì)不同類(lèi)型的Al粉對(duì)爆震波波速和胞格結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)中采用三種Al粉(粒徑3.5 μm球形粉A_1、粒徑13 μm球形粉A_2，厚度0.5-1 μm片狀粉F)，并與純氣相爆震進(jìn)行了對(duì)比，爆震波結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖3所示，添加A_1和F的爆震與純氣相爆震相比，爆震胞格尺寸更小且排列更規(guī)則，而添加A_2的爆震胞格尺寸比純氣相爆震大且更加不規(guī)則；添加A_1和F的爆震無(wú)論爆震波峰值還是后續(xù)燃燒產(chǎn)物的壓力均高于純氣相爆震，而添加A_2的爆震從爆震波到達(dá)并進(jìn)過(guò)100 μs的時(shí)間段內(nèi)，壓強(qiáng)水平與純氣相爆震十分接近，在爆震波峰通過(guò)200 μs后有一個(gè)明顯的壓力上升；添加A_1和F的爆震波速相比純氣相有所增加，而A_2與純氣相相比有所降低。

Zhang等[27]對(duì)Al-C2H2-空氣混合物爆震開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，Al粉對(duì)C2H2-空氣爆震的影響趨勢(shì)與Veyssiere等人[32]的結(jié)果類(lèi)似，即添加小粒徑(2 μm)的Al粉所形成的爆震與C2H2-空氣的純氣相爆震相比，其胞格尺寸更小，爆震波峰壓力與波后燃燒產(chǎn)物壓力更高。

1—純氣相爆震, 2—粒徑13 μm Al粉混合爆震, 3—粒徑13 μm惰性粉末爆震, 4—粒徑3.5 μm Al粉混合爆震圖4　在t=1和t=2 ms時(shí)刻，Al粉濃度為300 g/m3條件下，爆震波壓強(qiáng)曲線[34]Fig.4　Profiles of pressure at t=1 and 2 ms for 300 g/m3 aluminum powders

Khasainov等[34]針對(duì)Al粉在H2-空氣氛圍中的爆震情形建立了二維混合爆震波模型，結(jié)果表明，對(duì)于小粒徑(3.5 μm)而言，爆震波速度隨Al粉濃度增加而增加，爆震波胞格尺寸隨著Al粉濃度的增加而減小，而大粒徑(13 μm)反之；文中還將上述兩種添加Al的混合爆震與純氣相爆震、添加惰性粉末(粒徑13 μm)的爆震進(jìn)行了對(duì)比分析，其爆震波壓強(qiáng)曲線如圖4所示，結(jié)果表明，添加大粒徑Al粉的混合爆震波為兩個(gè)獨(dú)立的雙波結(jié)構(gòu)(圖中曲線2)，位于下游的壓力峰是由Al粉燃燒導(dǎo)致(曲線2、3對(duì)比)，添加小粒徑Al粉的混合爆震波為單波結(jié)構(gòu)(曲線4)，小粒徑Al粉的燃燒反應(yīng)增強(qiáng)了氣相爆震波的強(qiáng)度(曲線1、4對(duì)比)。

2.3　混合爆震應(yīng)用研究

鑒于純粉末燃料在爆震管中DDT距離過(guò)長(zhǎng)而使得目前以純粉末作為燃料的爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的工程應(yīng)用較難實(shí)現(xiàn)，可以借鑒固體劑中加入高能固體顆粒的方法，將粉末燃料作為添加劑加入到現(xiàn)有的氣體、液體燃料爆震中，結(jié)合氣體、液體燃料容易起爆，粉末燃料燃燒放熱多的優(yōu)點(diǎn)，以期提高原有爆震發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能。

Bykovskii等[35-38]以H2為流化氣，在圓盤(pán)形渦流燃燒室內(nèi)實(shí)現(xiàn)了μm級(jí)C粉與空氣的爆震燃燒。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，H2夾帶C粉由供應(yīng)裝置進(jìn)入環(huán)形腔進(jìn)入燃燒室，空氣經(jīng)由環(huán)形腔進(jìn)入燃燒室，在圓盤(pán)形燃燒室一端平面上有長(zhǎng)條形觀察窗，另一端平面有排氣管。在排氣管內(nèi)徑70 mm和100 mm條件下，得到了速度為1.6-1.8 km/s的連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震波，在排氣管內(nèi)徑50 mm條件下，得到了頻率約為4.8 kHz的徑向脈沖爆震波。在后續(xù)研究過(guò)程中，圓盤(pán)渦流燃燒室內(nèi)徑由204 mm增大至500 mm，同時(shí)降低H2質(zhì)量分?jǐn)?shù)(相對(duì)于C粉2.8-5%)，增大C粉粒徑(10-60 μm)，成功實(shí)現(xiàn)了爆震；驗(yàn)證了H2是爆震波產(chǎn)生的關(guān)鍵，氣固兩相反應(yīng)占次要地位，但反應(yīng)放熱更多；圓盤(pán)渦流燃燒室尺寸越大，C粉駐留時(shí)間越長(zhǎng)，越容易實(shí)現(xiàn)爆震，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中C粉消耗率為106 kg/(s·m2)；實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，增大空氣入射角有利于實(shí)現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震；增大管道截面積，減小排氣管直徑有利于降低總壓損失；隨著爆震波數(shù)量減少，其對(duì)環(huán)形腔5、6內(nèi)的壓強(qiáng)影響增大。

圖5　燃燒室及空氣、C粉供應(yīng)系統(tǒng)示意圖[38]Fig.5　Experimental chamber and system for air and coal supply[38]

Palaszewski等[39]開(kāi)展了Al基凝膠脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)單脈沖點(diǎn)火燃燒試驗(yàn)，所采用的Al基凝膠燃料中的Al粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.85-25%，粒徑為60-100 nm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Al粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12-18%的Al基凝膠與空氣組合即可實(shí)現(xiàn)爆震燃燒，無(wú)需額外補(bǔ)充O2，與之相對(duì)應(yīng)，煤油凝膠要實(shí)現(xiàn)爆震燃燒需要在空氣中補(bǔ)充額外O2(氣相氛圍中O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)不能低于30%)，說(shuō)明Al基凝膠脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)空氣中O2含量依賴程度低，發(fā)動(dòng)機(jī)工作可靠性高，同時(shí)燃料密度的提高可以有效提升發(fā)動(dòng)機(jī)總沖。

由上述研究成果可知，對(duì)于混合爆震，在適當(dāng)?shù)臍庀嘟M分比例及粉末顆粒濃度條件下，添加小粒徑粉末的確有促進(jìn)爆震燃燒的作用，大粒徑粉末由于點(diǎn)火延遲時(shí)間較長(zhǎng)反而可能削弱爆震波強(qiáng)度，作用類(lèi)似于惰性顆粒；小尺寸圓盤(pán)形燃燒室內(nèi)成功實(shí)現(xiàn)氣體/粉末燃料的連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震，以及采用Al基凝膠的PDE實(shí)現(xiàn)單次脈沖點(diǎn)火，說(shuō)明將混合爆震用于動(dòng)力系統(tǒng)具有一定可行性。

3　粉末爆震實(shí)驗(yàn)裝置、測(cè)量手段和數(shù)值模擬方法

在早期的粉末燃料爆震實(shí)驗(yàn)中，由于受到粉末彌散方法的限制，爆震管大都采用豎直形式[8,33]，粉末燃料彌散主要靠爆震管頂端或底端通入流化氣來(lái)實(shí)現(xiàn)。此類(lèi)爆震管受安裝條件制約，長(zhǎng)度有限，同時(shí)，經(jīng)彌散后懸浮在管內(nèi)的粉末燃料受重力影響在豎直方向存在密度梯度，影響彌散均勻性。

對(duì)于水平放置的爆震管，其尺寸限制較小，管長(zhǎng)可達(dá)數(shù)十米，如圖6所示為Zhang[14]的爆震管實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，其采用的粉末彌散方式是先將粉末燃料鋪在管底并在粉末燃料上放置一根與爆震管軸線同方向的細(xì)管，在細(xì)管與粉末燃料相對(duì)的細(xì)管壁上開(kāi)有許多小孔(直徑0.8 mm)，依靠經(jīng)由小孔的氣流將粉末燃料吹離爆震管底來(lái)實(shí)現(xiàn)粉末燃料彌散懸浮。浦以康[11]、劉慶明[15-16]等人采用了一種自制的噴粉揚(yáng)塵系統(tǒng)，在爆震管壁上沿軸線方向等距開(kāi)孔，每個(gè)孔安裝一個(gè)組獨(dú)立的噴粉揚(yáng)塵裝置，以此產(chǎn)生均勻彌散的粉末燃料。

圖6　Zhang實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖[14]Fig.6　Schematic diagram of the experimental setup used by Zhang[14]

除了采用傳統(tǒng)爆震管裝置，Veyssiere等[40]曾嘗試在如圖7的實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)開(kāi)展粉末燃料半球面爆震實(shí)驗(yàn)，由于裝置尺寸較小(容積0.385 m3)，實(shí)驗(yàn)未能得到自維持傳播的穩(wěn)定爆震波。

圖7　Veyssiere半球面爆震實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖[40]Fig.7　Schematic diagram of the hemisphere detonation experi-mental setup for hemisphere detonation used by Veyssiere

在實(shí)驗(yàn)測(cè)量手段方面，對(duì)于壓力測(cè)量，使用高頻壓力傳感器測(cè)量爆震波波峰壓力，使用煙膜記錄爆震波傳播過(guò)程中胞格結(jié)構(gòu)變化等是目前常用且成熟的壓力測(cè)量方法。

對(duì)于溫度測(cè)量，目前公開(kāi)文獻(xiàn)中尚未見(jiàn)到可直接用于粉末爆震波流場(chǎng)溫度測(cè)量的成熟技術(shù)，時(shí)下較為成熟的相干反斯托克斯拉曼散射[41](Coherent anti-Stokes Raman Scattering, CARS)測(cè)溫技術(shù)適用于穩(wěn)態(tài)靜止火焰的測(cè)量，且對(duì)光路要求較高，只能測(cè)量單點(diǎn)溫度，不太適用于高速傳播的粉末爆震波流場(chǎng)溫度測(cè)量。而在相關(guān)研究領(lǐng)域，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)利用光譜儀[42]、光電倍增管[43]或者高速相機(jī)[44]等設(shè)備采集顆粒燃燒的火焰光譜/光強(qiáng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)后續(xù)算法處理得到顆粒的燃燒溫度，并且目前光譜儀測(cè)溫方法的采樣間隔已經(jīng)可以達(dá)到μs量級(jí)[45]，因此目前來(lái)看利用光譜儀測(cè)溫設(shè)備測(cè)量粉末爆震波流場(chǎng)溫度具有較高的可行性，但此方法直接采集的是光強(qiáng)/光譜信息，需后處理程序轉(zhuǎn)化為流場(chǎng)溫度信息，準(zhǔn)度受后處理程序算法影響較大。

對(duì)于組分濃度測(cè)量，時(shí)下得到廣泛應(yīng)用的平面激光誘導(dǎo)熒光(Planar Laser Induced Fluorescence, PLIF)技術(shù)主要用于H2及碳?xì)淙剂先紵^(guò)程中中間產(chǎn)物(如CH基、OH基、CO基等)濃度測(cè)量，文獻(xiàn)[46]證明利用PLIF技術(shù)能夠得到Al顆粒燃燒過(guò)程中的中間產(chǎn)物AlO濃度分布，但PLIF技術(shù)受其采樣頻率的限制，使得目前粉末爆震波流場(chǎng)濃度測(cè)量仍然難以實(shí)現(xiàn)，燃燒中間產(chǎn)物濃度分布是研究燃燒機(jī)理問(wèn)題的重要信息，濃度測(cè)量的技術(shù)瓶頸也是目前限制粉末燃料爆震燃燒實(shí)驗(yàn)與理論建模研究的關(guān)鍵問(wèn)題。

在建模和數(shù)值模擬方法方面，爆震波誘導(dǎo)區(qū)和燃燒區(qū)內(nèi)粉末燃料顆粒群受熱、著火、燃燒過(guò)程，涉及氣固兩相之間的質(zhì)量、動(dòng)量、能量交換以及化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等復(fù)雜過(guò)程，需要進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化假設(shè)。將顆粒當(dāng)作流體處理的歐拉-歐拉方法(雙流體模型)是目前描述粉末顆粒爆震燃燒過(guò)程的主要方法[4-7,20-22,47-49]。氣固兩相間的質(zhì)量、動(dòng)量、能量交換過(guò)程分別由固相顆粒轉(zhuǎn)氣相的質(zhì)量轉(zhuǎn)化率Jp、顆粒所受氣體作用力f以及氣固兩相間熱量傳導(dǎo)速率q等源項(xiàng)描述，f、q的表達(dá)式大致相同，并無(wú)本質(zhì)區(qū)別。模型中假定固相轉(zhuǎn)化為氣相后，氣相燃燒為瞬時(shí)完成的單步反應(yīng)，未考慮詳細(xì)反應(yīng)過(guò)程，此時(shí)Jp也表示顆粒燃燒速率，根據(jù)不同物質(zhì)的燃燒特征，Jp表達(dá)式可分為有限擴(kuò)散反應(yīng)模型、有限動(dòng)力學(xué)反應(yīng)模型以及動(dòng)力學(xué)-擴(kuò)散混合模型等[50]。燃燒產(chǎn)物統(tǒng)一算作氣相組分，未考慮燃燒產(chǎn)物實(shí)際凝結(jié)過(guò)程的影響，如文獻(xiàn)[47]中將液態(tài)產(chǎn)物Al2O3按氣相處理，但對(duì)氣體壓力沒(méi)有貢獻(xiàn)。

上述雙流體模型中，顆粒采用的著火判據(jù)是參考物質(zhì)的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)，人為設(shè)定點(diǎn)火溫度。這樣的做法優(yōu)點(diǎn)在于計(jì)算簡(jiǎn)便，但誤差較大，且缺乏物理解釋。由于顆粒在誘導(dǎo)區(qū)、燃燒區(qū)內(nèi)的著火過(guò)程對(duì)于維持爆震波傳播有重要影響，顆粒點(diǎn)火判據(jù)需要進(jìn)一步改進(jìn)，如參考固體顆粒著火燃燒數(shù)值模擬常采用的溫度突躍[51]、質(zhì)量躍遷[52]、氧化層破碎[53]等著火判據(jù)。此外，多顆粒燃燒時(shí)顆粒間存在合作效應(yīng)[54]，與單顆粒燃燒相比，表現(xiàn)為著火溫度降低，著火延遲時(shí)間變短，而上述模型均未考慮顆粒間合作效應(yīng)。

文獻(xiàn)[20-22]表明，在二維模型中，為使爆震波在傳播過(guò)程中形成胞格結(jié)構(gòu)，需要在初始條件中添加一個(gè)密度擾動(dòng)，而文獻(xiàn)[24]的二維模型中因未加初始擾動(dòng)計(jì)算得到的爆震波仍為平面結(jié)構(gòu)。

近幾年，由于Conservation Element/ Solution Element(CE/SE)方法在捕獲強(qiáng)間斷波方面所表現(xiàn)出的良好效果，國(guó)內(nèi)學(xué)者嘗試將此方法針應(yīng)用于粉末燃料爆震問(wèn)題數(shù)值模擬[48-49]，驗(yàn)證了該方法的可行性。

除基于歐拉-歐拉方法的雙流體模型外，另一種在氣固兩相流數(shù)值模擬的常用方法，將顆粒當(dāng)做離散相處理的歐拉-拉格朗日方法，適用于顆粒數(shù)目不多的條件，而在粉末爆震數(shù)值模擬中，顆粒粒徑小數(shù)目大，且涉及化學(xué)反應(yīng)，若采用歐拉-拉格朗日法則計(jì)算量太大，目前公開(kāi)文獻(xiàn)中未見(jiàn)到采用此方法模擬計(jì)算粉末爆震。

針對(duì)粒徑更小的nm級(jí)粉末顆粒，目前已有將其當(dāng)作大分子處理，用于nm級(jí)Al粉-空氣氣固兩相混合物的流動(dòng)燃燒數(shù)值模擬[55]，此處理方法也為粉末爆震燃燒數(shù)值模擬提供了新的思路。

在混合爆震波模型方面，主要是將粉末爆震與其他燃料爆震模型線性組合，并未考慮兩者之間的耦合作用，雖然部分計(jì)算結(jié)果在傳播模式、爆震波速度等宏觀現(xiàn)象和參數(shù)能夠與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較好的匹配，但涉及具體化學(xué)反應(yīng)過(guò)程則人為假設(shè)較多，是否與實(shí)際反應(yīng)一致有待驗(yàn)證。

4　結(jié)束語(yǔ)

對(duì)國(guó)內(nèi)外粉末燃料在氣相氛圍中爆震燃燒的實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，分析了在空氣、O2等氧化性氣相氛圍以及在H2、CH4等燃料和空氣、O2等組成的混合氣相氛圍中粉末燃料爆震波的傳播特性，討論了粉末爆震波的傳播機(jī)理。研究結(jié)果表明：(1)粉末燃料本身的物質(zhì)性質(zhì)、粒徑和濃度是影響爆震波速度、穩(wěn)定性、傳播模式、細(xì)觀結(jié)構(gòu)和胞格尺寸的重要因素；(2)目前的粉末燃料-氣相氧化劑爆震系統(tǒng)中，要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的爆震燃燒需要較大尺寸的爆震管，難以將其直接應(yīng)用于爆震發(fā)動(dòng)機(jī)；(3)圓盤(pán)形燃燒室以及Al基凝膠PDE等混合爆震工程實(shí)驗(yàn)取得初步成果，證明將粉末燃料應(yīng)用于爆震動(dòng)力系統(tǒng)有較好的應(yīng)用前景。

為實(shí)現(xiàn)粉末燃料在爆震發(fā)動(dòng)機(jī)中的實(shí)際工程應(yīng)用，需要對(duì)懸浮粉末燃料在氣相氛圍中的爆震燃燒特性開(kāi)展進(jìn)一步研究，以實(shí)現(xiàn)粉末燃料爆震燃燒高效組織，提高能量利用率，改善爆震發(fā)動(dòng)機(jī)性能。因此還有許多工作需要開(kāi)展：(1)開(kāi)發(fā)出適用于粉末爆震波溫度及組分濃度分布的先進(jìn)測(cè)量技術(shù)，針對(duì)粉末燃料在氣相氛圍中爆震燃燒波的細(xì)觀結(jié)構(gòu)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)一步加深對(duì)粉末燃料爆震機(jī)理的認(rèn)識(shí)，建立準(zhǔn)確性更高的粉末爆震波模型；(2)采用恰當(dāng)?shù)臄?shù)值計(jì)算方法，利用先進(jìn)的云計(jì)算資源，開(kāi)展高維度的粉末爆震波數(shù)值模擬研究；(3)結(jié)合粉末爆震機(jī)理及現(xiàn)有工程實(shí)驗(yàn)的研究成果，開(kāi)展采用粉末燃料混合爆震的發(fā)動(dòng)機(jī)原理樣機(jī)研究。

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