魏萬里， 翁春生， 武郁文， 鄭權， 李寶星

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

0 引言

爆轟和爆燃是兩種不同的燃燒方式，與爆燃相比，近乎等容燃燒的爆轟熱循環(huán)效率高、能量釋放快[1]。傳統(tǒng)基于等壓燃燒方式的推進系統(tǒng)已經(jīng)比較成熟，大幅度提高其性能十分困難，因此將爆轟用于推進系統(tǒng)有望大幅度提高其性能。連續(xù)旋轉爆轟發(fā)動機(CRDE)是一種利用爆轟燃燒方式，使爆轟波在環(huán)形燃燒室內(nèi)連續(xù)旋轉傳播以產(chǎn)生推力的新型發(fā)動機。CRDE具有熱效率高、放熱速率快、結構簡單緊湊、推重比大、工作范圍寬、具有推力矢量調節(jié)、污染物特別是氮氧化物排放低[2-3]等優(yōu)點，近年來CRDE在國內(nèi)外備受關注，成為推進領域研究的熱點。

CRDE通常采用燃料和氧化劑分開噴注的方式，燃料和氧化劑在環(huán)形燃燒室中邊混合邊燃燒。目前常采用噴孔- 環(huán)縫噴注形式，燃料通過噴孔噴注進入環(huán)形燃燒室，氧化劑從前端集氣腔通過環(huán)縫進入環(huán)形燃燒室。由于旋轉爆轟波具有傳播速度快、周期短的特點，而環(huán)形燃燒室狹小空間對燃料和氧化劑的摻混又造成不利影響，很難在短時間內(nèi)使燃料和氧化劑摻混達到分子量級。旋轉爆轟波傳播特性對燃料和氧化劑的摻混非常敏感，燃料與氧化劑的摻混效果對發(fā)動機成功起爆以及爆轟波的穩(wěn)定自持傳播至關重要。因此，對燃料和氧化劑的噴注結構、噴注面積、噴注壓力等影響摻混效果因素的研究具有重要意義。

目前，國內(nèi)外針對此問題開展了大量試驗和數(shù)值模擬研究。Anand等[4]研究了不同燃料和氧化劑噴注結構對連續(xù)旋轉爆轟波傳播特性的影響，試驗分別采用了3種不同的燃料噴注結構和兩種氧化劑噴注結構，發(fā)現(xiàn)燃料和氧化劑的噴注結構對爆轟波傳播特性具有較大的影響，增大氧化劑噴注面積可使爆轟波的傳播速度降低。Frolov等[5]研究了氧化劑噴注面積對爆轟波個數(shù)的影響，試驗結果發(fā)現(xiàn)隨著氧化劑噴注面積的增大，爆轟波波頭個數(shù)從4個逐漸減少到1個，最終過渡到類似脈沖爆轟的模態(tài)。Rankin等[6]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)氧化劑噴注面積的改變會影響爆轟波形狀。Li等[7]通過試驗研究證實了液體燃料旋轉爆轟發(fā)動機在預混和非預混兩種噴注形式下的可行性。周勝兵等[8]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)隨著氧化劑噴注面積的增大，爆轟波傳播速度先增大、后減小，在氧化劑噴注面積比為0.13時獲得了最佳的試驗結果。Schwer等[9-10]采用數(shù)值模擬方法研究了帶集氣腔和噴注孔的CRDE流場結構，探索了燃燒室內(nèi)爆轟波的壓力回傳對上游集氣腔壓力的影響以及不同噴注模型下CRDE的推進性能。馬虎等[11]、徐雪陽等[12-13]對非預混噴注方式下的CRDE進行了數(shù)值模擬，分析了燃料噴注位置、噴注角度、入口總壓等因素對燃料和氧化劑摻混效果的影響，并探討了燃料噴注方式對發(fā)動機性能的影響。周蕊等[14]采用大渦模擬方法，對非預混CRDE中燃料和氧化劑的混合過程進行了數(shù)值模擬，研究了燃料和氧化劑的湍流混合過程及主要機理，同時考察了氧化劑噴注位置對摻混過程的影響。Liu等[15]對5種不同噴注方式進行數(shù)值模擬，研究了燃燒室內(nèi)爆轟波多波頭現(xiàn)象產(chǎn)生的機理。Sun等[16]、孫健[17]對帶有噴注孔的CRDE進行了數(shù)值模擬，并對多種噴注混合方式以及燃燒室內(nèi)燃料和氧化劑的混合過程進行了研究，分析了噴注孔出口寬度對燃燒室入口狀態(tài)、集氣腔和爆轟波傳播過程的影響，并在集氣腔內(nèi)觀察到和旋轉爆轟波相同主頻的壓力振蕩。李寶星等[18]通過數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)當進氣總壓過小時，爆轟波前不能形成有效的預混燃料層，致使爆轟波無法自持傳播。

基于以上分析可知，推進劑噴注面積和噴注條件對爆轟波的傳播特性具有較大影響。氧化劑噴注面積和質量流量對氧化劑的噴注速度均有影響，在氧化劑質量流量相同情況下，氧化劑噴注面積決定了氧化劑噴注速度，氧化劑噴注速度越快，紊流擴散作用越強，氧化劑和燃料的混合效果也就越好。然而關于氧化劑噴注面積對旋轉爆轟波傳播速度虧損、穩(wěn)定性和爆轟波波頭高度影響的相關研究甚少，因此本文著重對這些現(xiàn)象開展相關研究。氧化劑噴注面積過大或者過小均無法形成旋轉爆轟波，本文選取兩種可維持爆轟波穩(wěn)定傳播的氧化劑噴注面積(分別為217.1 mm2和436.7 mm2)，以H2為燃料、空氣為氧化劑，在不同當量比條件下開展試驗研究，分析了氧化劑噴注面積對連續(xù)旋轉爆轟波傳播特性的影響。本文研究對于豐富旋轉爆轟波傳播機理和CRDE研制具有一定的理論意義和工程應用價值。

1 試驗系統(tǒng)介紹

試驗系統(tǒng)如圖1所示，主要包括推進劑供給系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)以及CRDE模型。

推進劑供給系統(tǒng)由高壓氣源、減壓閥、電磁閥、流量計和單向閥組成，可滿足試驗所需工質的供應需求。通過調節(jié)供應管路上減壓閥的出口壓力，來調節(jié)推進劑質量流量和當量比。質量流量通過流量計進行監(jiān)測，推進劑供應時間通過電磁閥進行控制，試驗前對流量劑進行標定，確保試驗中測量到的推進劑質量流量的準確性。

模型發(fā)動機環(huán)形燃燒室內(nèi)徑和外徑分別為78 mm和88 mm，長度為130 mm，燃燒室出口與外界大氣相連。為了防止回火，發(fā)動機采用非預混噴注結構，氧化劑由燃燒室頭部集氣腔通過環(huán)縫進入燃燒室，氧化劑噴注面積分別為217.1 mm2和436.7 mm2；H2通過均勻分布在內(nèi)壁面的60個圓形噴孔進入燃燒室，每個噴孔噴注面積為0.503 mm2，總噴注面積為30.16 mm2. 為了提高點火成功率，試驗采用切向安裝的H2、O2預爆管進行點火，本文所有試驗工況均一次成功起爆，未出現(xiàn)起爆失敗的情況。

在發(fā)動機燃燒室外壁布置4個美國PCB公司生產(chǎn)的PCB高頻壓力傳感器測壓孔，用于測量燃燒室內(nèi)高頻壓力信號。PCB高頻壓力傳感器采用平齊的安裝方式，傳感器與爆轟波直接接觸。本文所用的4個PCB高頻壓力傳感器位置如圖2所示，PCB1、PCB2分布在同一圓周上，距離燃燒室頭部15 mm，PCB1、PCB3和PCB4分布在同一軸線上，距離燃燒室頭部依次為15 mm、25 mm和35 mm. PCB1和PCB2之間的夾角為60°. PCB響應時間小于1 μs，工作過程中采樣頻率設置為500 kHz. 高頻壓力通過信號放大器和模擬/數(shù)字轉換器處理后由NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄。氧化劑集氣腔的壓力和推進劑質量流量采集信號通過數(shù)據(jù)采集模塊由計算機終端記錄。

采用自行設計的單片機來控制推進劑的供給時間和點火時間，控制時間間隔可精確到5 ms. 本文試驗運行時序如圖3所示，試驗開始首先觸發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，然后打開H2、O2和空氣供給管路電磁閥，向預爆轟管內(nèi)噴注H2和O2，同時向CRDE燃燒室內(nèi)噴注H2和空氣。一段時間后關閉預爆轟管H2和O2供給管路電磁閥，然后打開預爆轟管的點火開關，點燃預爆轟管內(nèi)的H2和O2預混氣，預爆轟管內(nèi)形成的爆轟波進入CRDE燃燒室點燃H2和空氣預混氣，CRDE進入工作狀態(tài)，工作時間Δt后，關閉CRDE燃燒室H2供給管路電磁閥，繼續(xù)向燃燒室內(nèi)噴注空氣來吹除剩余的燃料，直至發(fā)動機完全熄火。

2 試驗結果分析

表1 試驗工況表

2.1 爆轟波傳播過程分析

fi=1/Δti，

(1)

根據(jù)(2)式求得每個周期內(nèi)的傳播速度vi，

vi=πDfi，

(2)

式中：D為燃燒室外徑。

(3)

式中：K為傳播周期個數(shù)。

爆轟波傳播過程中頻率分布如圖4(d)所示，其主要分布在6 200～6 300 Hz范圍，爆轟波傳播平均頻率為6 268 Hz，與圖4(f)中快速傅里葉變換得到的主頻6 556 Hz吻合較好。從圖4(d)中可以看出，從第350 ms點火起爆開始，爆轟波頻率逐漸增大，在380 ms爆轟波傳播頻率增大到平均值6 268 Hz附近，隨后在平均值附近上下波動，直到第560 ms時刻關閉環(huán)形燃燒室H2供給管路電磁閥開始，爆轟波傳播頻率開始逐漸下降，直至爆轟波完全熄滅。圖4(e)為爆轟波速度隨時間分布圖，其變化過程同頻率一致，其主要分布在1 700～1 800 m/s范圍，爆轟波傳播平均速度為1 732 m/s. 在此工況下，當量比為1.0，初始壓力和溫度分別設為0.1 MPa和300 K，通過美國國家航空航天局(NASA)開源計算程序CEA[19]計算得到Chapman-Jouguet(CJ)理論爆轟波速度為1 964 m/s. 平均傳播速度為CJ速度的88.2%，速度虧損12.8%. 造成速度虧損的主要原因如下：1)燃燒產(chǎn)物的側向膨脹以及環(huán)形燃燒室曲率對爆轟波的削弱作用；2)燃料和氧化劑摻混不均勻，部分燃料未得到充分燃燒，以及新鮮反應物和燃燒產(chǎn)物接觸層處發(fā)生的緩然現(xiàn)象，導致試驗過程中釋放的能量小于理論值。

工況8所得高頻壓力信號如圖5(a)所示，空氣質量流量為420.9 g/s，H2質量流量為12.1 g/s，當量比為1.0，氧化劑噴注面積為436.7 mm2. 與工況3一樣，爆轟波經(jīng)歷了起爆、自持傳播、熄爆的過程。與工況3不同的是，爆轟波起爆后，傳播約12 ms后在第582 ms時刻爆轟波解耦，壓力和速度降低。經(jīng)過約3 ms后再次起爆，之后維持穩(wěn)定自持傳播，沒有再次發(fā)生解耦現(xiàn)象。造成爆轟波出現(xiàn)解耦現(xiàn)象的主要原因是燃料和氧化劑分開噴注形式導致?lián)交觳痪鶆?，部分燃料未得到充分燃燒，燃燒釋放的熱量不足以補償誘導激波傳播時的能量損耗，爆轟波無法自持傳播，從而發(fā)生解耦現(xiàn)象。圖5(c)是壓力峰值分布圖，從圖5(c)中可以看到由于爆轟波發(fā)生解耦現(xiàn)象，在582～585 ms時壓力峰值明顯降低。圖5(d)是頻率分布圖，爆轟波傳播平均頻率為5 348 Hz，與快速傅里葉變換主頻5 394 Hz吻合較好。圖5(e)是爆轟波波速隨時間變化圖，爆轟波傳播平均速度為1 478 m/s，在582 ms時刻，爆轟波發(fā)生解耦現(xiàn)象波速降低到約1 100 m/s，之后再次形成爆轟波，速度增大。在此工況下，計算得到CJ理論爆轟波速度為1 964 m/s, 平均傳播速度為CJ速度的75.3%，速度虧損24.7%. 與工況3相比，工況8速度虧損較大，具體原因將在2.2節(jié)進行詳細分析。

2.2 氧化劑噴注面積對爆轟波傳播速度的影響

由2.1節(jié)的分析結果可知，工況8的速度虧損遠大于工況3，而工況3和工況8兩組工況僅氧化劑噴注面積不同。為了確定是否是由于氧化劑噴注面積造成的速度虧損，分別在當量比為0.75、0.9、1.0、1.1、1.3時，僅改變氧化劑噴注面積進行試驗研究。

對工況1～工況10按照 (2) 式求出每個周期內(nèi)的速度，按照 (3) 式求出平均速度，基于每個周期內(nèi)爆轟波的傳播速度，計算其標準偏差S，

(4)

計算其相對標準偏差μ，

(5)

根據(jù)標準偏差和相對標準偏差來評估爆轟波傳播的穩(wěn)定性。

圖6為不同工況下的平均速度分布圖，圖7為速度相對標準偏差隨當量比的變化曲線。從圖6和圖7中可以明顯觀察到，氧化劑噴注面積為217.1 mm2時，當量比相同，爆轟波傳播平均速度均大于氧化劑噴注面積為436.7 mm2時爆轟波傳播平均速度，并且氧化劑噴注面積為217.1 mm2時的速度相對標準偏差均小于氧化劑噴注面積為436.7 mm2時的速度相對標準差。由此可知，氧化劑噴注面積確實是造成速度虧損以及影響爆轟波傳播穩(wěn)定性的一個重要原因，在Anand等[4]的研究中也發(fā)現(xiàn)了此現(xiàn)象?？赡艿脑蛉缦拢?)由圖8可知，相同當量比時，氧化劑噴注面積為436.7 mm2工況的集氣腔壓力均小于氧化劑噴注面積為217.1 mm2時的壓力，因此噴注面積較大時氧化劑集氣腔抵抗燃燒室內(nèi)爆轟波回傳的能力較差，爆轟波回傳對氧化劑的供給造成較大影響，燃燒室頭部氧化劑噴注過程受爆轟波頭部瞬時高壓影響波動較大，嚴重影響了燃料和氧化劑的摻混以及新鮮可燃氣體層的形成，從而導致較大的速度虧損。2)由于當量比相同、質量流量相同，氧化劑噴注面積越大，氧化劑的噴注速度越小，下游燃燒產(chǎn)物在湍流作用下與上游部分新鮮反應物快速混合，使爆轟波前的初始狀態(tài)發(fā)生較大改變。由文獻[20]可知，當燃燒產(chǎn)物與新鮮反應物在爆轟波到來之前已經(jīng)發(fā)生混合，則相應的CJ爆轟速度將會降低。而氧化劑噴注面積較小時，氧化劑噴注速度較大，下游燃燒產(chǎn)物很難與上游新鮮反應物混合，因此氧化劑噴注面積較小時，速度虧損較小。

此外，由圖6還可以看出，當氧化劑噴注面積為436.7 mm2時，隨著當量比增大，爆轟波平均速度同理論CJ速度相似，呈現(xiàn)出緩慢增大的趨勢。由于當量比較小時，激波誘導的化學反應放熱不足，隨著當量比增大，化學反應釋放的熱量增大，爆轟波強度變大，速度增大。當氧化劑噴注面積為217.1 mm2時，爆轟波平均速度呈現(xiàn)出與理論CJ速度略微不同的趨勢。隨著當量比增大，平均速度先增大，在當量比為0.9時平均速度達到最大值1 800 m/s，為理論CJ速度的93%；進一步增大當量比，爆轟波平均速度略微降低，但降低幅度不大，這可能是因為隨著當量比增大，氧化劑質量流量變小，氧化劑噴注速度降低；由前文分析可知，氧化劑噴注速度的降低將會導致下游燃燒產(chǎn)物和新鮮反應物的混合，因此造成速度虧損；同時隨著當量比增大，由圖8可知，氧化劑集氣腔壓力降低，爆轟波引起的壓力回傳對氧化劑的供給造成較大影響，從而導致較大的速度虧損。

由圖7可知，氧化劑噴注面積不變時，當量比在0.75～1.3變化時，速度相對標準偏差隨當量比的變化呈現(xiàn)先減小、后增大趨勢。在當量比為0.9時，速度相對標準偏差最小，爆轟波傳播最穩(wěn)定。

2.3 氧化劑噴注面積對波頭高度的影響

爆轟波波頭高度是CRDE的一項重要參數(shù)，本文通過在軸向布置多個PCB高頻壓力傳感器。由文獻[21]可知，由于爆轟波波前為新鮮反應物，溫度較低，而斜激波波前為上一輪燃燒產(chǎn)物，爆轟波處的壓力峰值將大于斜激波處的壓力峰值，通過比較壓力峰值大小來判斷爆轟波波頭高度的范圍。圖9和圖10分別為工況4和工況9下PCB1、PCB3和PCB4的高頻壓力曲線。從圖9中可以明顯觀察出，PCB1和PCB3處的壓力峰值大小基本一致，而PCB4處的壓力峰值明顯小于PCB1和PCB3處的壓力峰值，可以認為PCB3處在爆轟波的波頭高度內(nèi)，而PCB4處為斜激波，由此可判斷氧化劑噴注面積為217.1 mm2時爆轟波波頭高度為25～35 mm. 從圖10中可以看出，PCB3和PCB4處的壓力峰值基本一致且明顯小于PCB1處的壓力峰值，可以認為PCB1處在爆轟波的波頭高度內(nèi)，PCB2 處為斜激波，由此判斷氧化劑噴注面積為436.7 mm2時爆轟波波頭高度為15～25 mm. 通過以上分析可知，氧化劑噴注面積較大時，爆轟波波頭高度較小，氧化劑集氣腔內(nèi)的壓力和氧化劑噴注速度均較小，不利于新鮮可燃氣體層的形成，在爆轟波傳播的一個周期內(nèi)，新鮮可燃氣層的高度就越小，因此爆轟波波頭高度也較小。

3 結論

本文通過改變氧化劑噴注面積和當量比對H2、空氣混合物為燃料的CRDE進行了試驗研究，研究了氧化劑噴注面積以及當量比對爆轟波傳播特性的影響。得到主要結論如下：

1)增大氧化劑噴注面積，爆轟波傳播速度虧損變大，同時爆轟波傳播穩(wěn)定性變差。氧化劑噴注面積217.1 mm2工況下，平均速度均達到CJ速度的80%以上；而氧化劑噴注面積436.7 mm2工況下，平均速度均在CJ速度的80%以下。

2)在氧化劑噴注面積217.1 mm2、當量比0.9時獲得了較好的試驗結果，爆轟波平均速度達到1 800 m/s，為理論CJ速度的93%，同時爆轟波表現(xiàn)最為穩(wěn)定。在氧化劑噴注面積436.7 mm2時，觀察到爆轟波解耦再起爆現(xiàn)象。在本文所有試驗工況下爆轟波均為單波模態(tài)。

3)氧化劑噴注面積不變時，隨著當量比增大，爆轟波的穩(wěn)定性先升高、后降低。

4)當推進劑質量流量不變時，增大氧化劑噴注面積，爆轟波波頭高度減小。

5)對于目前大部分以噴孔-環(huán)縫噴注結構的CRDE，氧化劑噴注面積是一個重要的設計參數(shù)。