呂曉靜 李寧 徐恩華 葉寶玉 高軼群

1.廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院飛機(jī)維修工程學(xué)院，廣東 廣州 510403；

2. 南京理工大學(xué)瞬態(tài)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗室，江蘇 南京 210094

脈沖爆轟發(fā)動機(jī)（PDE）作為一種新概念發(fā)動機(jī)，其燃?xì)饨M分的動態(tài)監(jiān)測能夠直觀顯示發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)，不僅可以推進(jìn)爆轟機(jī)理的研究，而且能夠為PDE設(shè)計改進(jìn)和運(yùn)行參數(shù)控制優(yōu)化提供寶貴的數(shù)據(jù)參考。但PDE工作過程中會產(chǎn)生劇烈的振動，其瞬態(tài)特性、高溫高壓高速燃?xì)獾葠毫訙y量條件都對PDE的燃?xì)鉁y試帶來困難[1]。

可調(diào)諧半導(dǎo)體吸收光譜（TDLAS）技術(shù)是一種基于吸收光譜的非接觸氣體測試技術(shù)，已有學(xué)者將TDLAS技術(shù)應(yīng)用于PDE流場測試[2，3]，但主要集中于H2O作為氣體測量對象，而燃?xì)饨M分CO濃度變化情況是判斷燃燒效率的重要參數(shù)。有學(xué)者采用6329cm-1波段CO激光器開展氣體濃度的監(jiān)測研究工作[4,5]，該波段譜線強(qiáng)度為10-3[atm-1cm-2]量級，且在高溫條件下譜線強(qiáng)度減弱，還易受到CO2氣體的干擾。X.Chao等人[6]在燃燒環(huán)境下對CO濃度的測試研究工作則是選取了R(11)譜線（4301.7cm-1），但是該譜線吸收度同樣較弱。這兩條譜線均不能直接用于PDE管內(nèi)燃?xì)釩O組分的監(jiān)測。

本文以CO為測試氣體對象，設(shè)計搭建光纖分布式測量系統(tǒng)，選用R(30)譜線（4348cm-1）對PDE管內(nèi)CO氣體進(jìn)行了檢測。研究了燃料當(dāng)量比對PDE工作循環(huán)過程各個階段的影響。

1 TDLAS測試?yán)碚摷白V線選擇

TDLAS測量原理為Beer-Lambert吸收定律[7]，當(dāng)一束單色光通過氣體介質(zhì)時，氣體會對光束產(chǎn)生吸收，吸收程度表示為:

其中，It為穿越氣體介質(zhì)后的透射激光強(qiáng)度，I0為初始激光強(qiáng)度；P為氣體介質(zhì)的壓力；S(T)為溫度T的函數(shù)，表征待測氣體特征譜線的譜線強(qiáng)度[7]；C是待測氣體介質(zhì)的體積濃度；L為測試光程。

對式(1)兩邊進(jìn)行對數(shù)運(yùn)算后在整個頻域積分，得到

圖1 4340cm-1波段CO與H2O譜線計算結(jié)果對比

改變半導(dǎo)體激光器工作電流和溫度可以驅(qū)動激光器輸出激光頻率在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化[8]。將穿越氣體介質(zhì)后的透射激光強(qiáng)度與初始入射激光強(qiáng)度進(jìn)行比較，從而得到光譜吸收率信號。

在確定溫度下，吸收光譜在頻域上的積分面積與譜線強(qiáng)度呈線性關(guān)系。同時掃描兩條吸收譜線，獲得譜線吸收光譜面積比值變化曲線，變化趨勢僅與溫度T有關(guān)，且是一一對應(yīng)關(guān)系。通過該曲線可實(shí)現(xiàn)氣體壓力P和濃度X未知情況下燃?xì)鉁囟鹊脑诰€測量。

由于在4340cm-1波段附近有H2O吸收譜線的干擾，為了選取合適的吸收譜線以排除無關(guān)氣體對測量結(jié)果的干擾，對該波段附近H2O和CO的吸收譜線均進(jìn)行了數(shù)值計算，結(jié)果由圖1給出。

在溫度較低時（296K），兩種氣體的光譜吸收率均較低，但是CO明顯高于H2O；溫度較高時（1000K），CO和H2O的光譜吸收率均明顯增加，而且兩種氣體譜線之間重疊干擾嚴(yán)重。R(34)譜線（4338.77cm-1）在不同溫度下均與H2O吸收譜線相錯開，且該譜線對光的吸收度明顯高于R(30)譜線，測量靈敏度滿足燃?xì)鉁y試需要。由此，可以選擇該波段譜線，開展針對PDE管內(nèi)燃?xì)饨M分CO的測試研究工作[9]。

2 PDE管內(nèi)CO燃?xì)鉁y試

2.1 光纖分布式CO測試系統(tǒng)

以無閥式氣液兩相連續(xù)PDE為測量對象，發(fā)動機(jī)總長為190cm，內(nèi)徑80mm。通過調(diào)整PDE點(diǎn)火頻率來控制PDE使其在相應(yīng)頻率下工作。改變?nèi)剂涎趸瘎┕┙o流量來控制新鮮燃料氧化劑的補(bǔ)充進(jìn)氣速度。

PDE管內(nèi)溫度的測量采用雙譜線測試方法，測試方法及測試系統(tǒng)在文獻(xiàn)1和10中有詳細(xì)介紹。CO濃度測試系統(tǒng)由圖2給出，采用圖示系統(tǒng)測得PDE工作過程中吸收光譜變化情況，并結(jié)合溫度測量結(jié)果對CO濃度進(jìn)行計算。

圖2 光纖分布式CO測試系統(tǒng)

2.2 燃料當(dāng)量比對PDE爆轟過程的影響

使PDE在表1所示進(jìn)氣條件下進(jìn)行連續(xù)工作，對PDE燃?xì)鉁囟取⒔M分CO濃度和燃?xì)鈮毫ψ兓闆r開展測試工作，測試結(jié)果由圖3給出。

表1 測試工況條件

產(chǎn)生的爆轟波到達(dá)測試光路時刻記為0ms。各工況條件下的爆轟壓力波形相似，當(dāng)量比1.31條件下，爆轟壓力最高值達(dá)到0.6MPa，而當(dāng)量比1.09時，壓力峰值僅達(dá)到0.49MPa。不同工況下，CO濃度最高值均超過21%，且總體變化趨勢一致。單個工作循環(huán)結(jié)束時刻CO濃度值高于10%，表明表1示工況中PDE均處于富油狀態(tài)，PDE未完全填充。在爆轟波過后的高速燃?xì)鈬娚潆A段，CO濃度迅速降低；在18～26ms之間濃度變化均非常平穩(wěn)，之后再次上升，主要原因是緩燃效應(yīng)的發(fā)生。在PDE工作循環(huán)前期，不同工況條件下CO濃度相差不大，表明燃料當(dāng)量比對爆轟波形成及傳播階段和燃?xì)馀欧烹A段影響較微弱；而在緩燃和燃?xì)馀趴针A段，當(dāng)量比較小的工況一條件下，CO的濃度值明顯低于另外兩個工況。燃料當(dāng)量比對緩燃和燃?xì)馀趴针A段的影響較明顯。

圖3 PDE管內(nèi)參考數(shù)變化情況

當(dāng)量比1.31條件下，燃?xì)鉁囟茸罡咧悼蛇_(dá)到2321K，當(dāng)量比1.09時，溫度峰值達(dá)到1949K。在緩燃階段及燃料填充階段，不同工況下燃?xì)鉁囟惹€均出現(xiàn)小幅上升，但工況三當(dāng)量比1.31條件下，溫度上升幅度明顯高于另外兩個工況。表明，燃料當(dāng)量比對脈沖爆轟發(fā)動機(jī)的整個循環(huán)過程均有影響，但對緩燃階段的影響更明顯一些。在富油條件下，增加燃料當(dāng)量比后，PDE可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定爆轟，但是爆轟效果并沒有得到顯著提升，相反由于緩燃效應(yīng)產(chǎn)生了更多CO，燃燒效率降低同時污染環(huán)境。

3 結(jié)論

本文基于吸收光譜測試法搭建測試系統(tǒng)，選用R(30)譜線（4348cm-1）對PDE管內(nèi)CO氣體進(jìn)行了測試。研究了燃料當(dāng)量比對PDE工作循環(huán)過程中各個階段的影響。結(jié)果表明，PDE處于富油狀態(tài)時，燃料當(dāng)量比主要影響PDE循環(huán)后期的緩燃階段，而對前期爆轟波的形成及傳播階段影響較弱。