徐 燦，鄧 利，馬 虎，余 陵

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

爆震是一種特殊的燃燒模式，反應(yīng)物在前導(dǎo)激波面的絕熱壓縮作用下，溫度和壓力迅速上升，當(dāng)達(dá)到燃燒所需條件后，發(fā)生快速化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)，在膨脹波作用下，爆震波向前傳播。爆震以其能量釋放速度快、熵增小、熱循環(huán)效率高等優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注。旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)（rotating detonation engine，RDE）是一種基于爆震的新型發(fā)動(dòng)機(jī)，通常采用圓環(huán)形燃燒室結(jié)構(gòu)，反應(yīng)物可通過(guò)預(yù)混或非預(yù)混2種方式噴注，只需要初始一次點(diǎn)火，就能產(chǎn)生高頻自持旋轉(zhuǎn)爆震波。最早由Voitsckhovskii驗(yàn)證了其可行性，在隨后幾十年的研究和發(fā)展中，雖然經(jīng)歷了一段相對(duì)沉寂的時(shí)期，但由于RDE的諸多優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻率高、工作范圍寬等，于二十一世紀(jì)初重新受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視。

目前，在與RDE相關(guān)的研究中，已經(jīng)開展了如下工作：點(diǎn)火過(guò)程[1-2]，燃料和氧化劑的混合效果[3]，內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)[4]，不同燃料類型[5-6]，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸[7]等。Rankin等[8]總結(jié)了美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室近幾年在RDE的研究中取得的成果，他們利用化學(xué)發(fā)光儀拍攝了環(huán)形燃燒室內(nèi)的旋轉(zhuǎn)爆震波，與數(shù)值計(jì)算得到的結(jié)果能較好地吻合，此外，第一次實(shí)現(xiàn)了RDE與渦輪的組合，結(jié)果證明：在大工況范圍內(nèi)，這種組合比傳統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)的表現(xiàn)更為突出。Andrus等[9]采用預(yù)混氣作為反應(yīng)物噴入發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明預(yù)混氣下的旋轉(zhuǎn)爆震波傳播速度與理論C-J速度值仍存在一定差距，認(rèn)為這是由于燃燒產(chǎn)物與反應(yīng)物混合，導(dǎo)致局部當(dāng)量比與全局當(dāng)量比存在差異，與非預(yù)混噴注下的結(jié)果相比，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作范圍有所減小。除此之外，數(shù)值模擬也是在研究RDE時(shí)常用的方法。Schwer等[10]，對(duì)不同進(jìn)口總壓和出口背壓下的發(fā)動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，認(rèn)為爆震波高度和質(zhì)量流率由進(jìn)口總壓決定，并分析了爆震波損失及出口背壓對(duì)爆震波影響較小的原因。在部分實(shí)驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)爆震波存在不同傳播模態(tài)，而部分多波模態(tài)有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作頻率，使推力更加穩(wěn)定，可見(jiàn)，對(duì)傳播模態(tài)的研究具有一定意義。Frolov等[11]在大尺寸旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室（外徑為406 mm，環(huán)縫寬25 mm）中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究空氣進(jìn)氣環(huán)縫寬度（2、5、15 mm）對(duì)旋轉(zhuǎn)爆震波傳播特性的影響，結(jié)果表明：隨著空氣進(jìn)氣環(huán)縫寬度的增加，燃燒室內(nèi)的爆震波頭數(shù)從4個(gè)減少到1個(gè)，最終轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向振蕩燃燒，此外，還研究了出口阻塞比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力性能的影響。Fotia等[12]對(duì)3種不同燃燒室寬度下的RDE開展實(shí)驗(yàn)，采用氫氣、乙烯2種燃料，分析了不同質(zhì)量流率和不同當(dāng)量比下的比沖、推力等參數(shù)的變化。劉世杰等[13]在大范圍工況內(nèi)，對(duì)2種不同噴注結(jié)構(gòu)的非預(yù)混RDE進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)合高頻壓力傳感器和高速攝影2種觀測(cè)手段，分析了同向（單波、雙波、混合單雙波）傳播模態(tài)[13]和雙波對(duì)撞傳播模態(tài)[14]下旋轉(zhuǎn)爆震波的特點(diǎn)。

目前，多數(shù)學(xué)者在實(shí)驗(yàn)中都是著眼于反應(yīng)物噴注總壓、出口背壓、燃燒室長(zhǎng)度或噴管等因素對(duì)RDE工作特性的影響，而對(duì)氧化劑噴注面積及燃燒室環(huán)縫寬度的研究相對(duì)較少。因此，本文中將探索不同尺寸下，發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性的變化，主要分析的觀測(cè)結(jié)果包括高頻壓力信號(hào)、離子信號(hào)和高速攝影圖片。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

采用的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是自主設(shè)計(jì)和搭建的，如圖1所示，主要包括控制系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)模型、測(cè)量與采集系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)：由自主開發(fā)的時(shí)序控制程序?qū)崿F(xiàn)電磁閥的通斷控制和火花塞狀態(tài)的控制。

供氣系統(tǒng)：由高壓氣源和供氣管路組成，供氣管路主要包括減壓閥、電磁閥、限流喉道和管路等。調(diào)節(jié)減壓閥可以改變氣體的噴注壓力，從而達(dá)到改變反應(yīng)物質(zhì)量流率的目的；電磁閥用于控制管路的通斷。采用2個(gè)獨(dú)立的供氣系統(tǒng)分別為發(fā)動(dòng)機(jī)和預(yù)爆震管供氣。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Schematic of the experiment system

點(diǎn)火系統(tǒng)：主要由一根一定長(zhǎng)度的預(yù)爆震管、火花塞和點(diǎn)火頭組成。預(yù)爆震管以氫氣為燃料，氧氣為氧化劑，垂直安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)外殼上。點(diǎn)火頭在接收到點(diǎn)火信號(hào)后，使火花塞在瞬時(shí)高壓的作用下放電，產(chǎn)生電火花，電火花點(diǎn)燃混合氣，緩燃波在管子中逐漸加速形成爆震波，爆震波進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)，點(diǎn)燃?xì)錃?空氣混合氣。

發(fā)動(dòng)機(jī)模型：圖2（a）是發(fā)動(dòng)機(jī)的軸向示意圖，圖中標(biāo)注了進(jìn)氣方向及出口“Exit”的位置，并說(shuō)明了各部分結(jié)構(gòu)和各點(diǎn)的位置。氫氣通過(guò)周向均布的180個(gè)直徑為0.8 mm的小孔沿軸向噴注，空氣通過(guò)寬δ的收斂擴(kuò)張環(huán)縫沿徑向噴注，共采用3種不同尺寸的δ：1、1.5和2 mm。燃燒室采用一端封閉一端開口的圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，外徑do固定為196 mm，內(nèi)徑di共有3種不同尺寸：184、176和166 mm，對(duì)應(yīng)的燃燒室環(huán)縫寬度w分別為：6、10和15 mm。燃燒室軸向長(zhǎng)度L=80 mm。圖2（b）是由高速攝影沿發(fā)動(dòng)機(jī)出口拍攝的照片，圖中編號(hào)1～4對(duì)應(yīng)于圖2（a）中的編號(hào)1～4，5是點(diǎn)P1和I1在周向上重合的位置，6是點(diǎn)P2和I2在周向上重合的位置，其中，4和5在同一直徑上，6和7在同一直徑上，且這2條直徑相互垂直。圖2（a）是沿圖2（b）中的6向垂直于4和5連線的方向觀察得到的，從圖2（a）和2（b）中可直觀地看出發(fā)動(dòng)機(jī)各部分結(jié)構(gòu)及測(cè)量點(diǎn)、安裝點(diǎn)的位置關(guān)系。

圖2 RDE結(jié)構(gòu)Fig. 2 Structure of RDE

測(cè)量與采集系統(tǒng)：采用壓阻式傳感器測(cè)量氫氣集氣腔、空氣集氣腔和燃燒室內(nèi)靜壓，2個(gè)PCB（型號(hào)均為113B24）分別測(cè)量燃燒室內(nèi)瞬時(shí)壓力，2個(gè)離子探針?lè)謩e測(cè)量燃燒室內(nèi)火焰信號(hào)，這幾路信號(hào)均由NI采集卡采集，采樣頻率設(shè)置為1 000 000 s-1。此外，利用沿發(fā)動(dòng)機(jī)出口同軸布置的高速攝影（CCD）拍攝發(fā)動(dòng)機(jī)出口處火焰，采樣幀數(shù)設(shè)置為25 000 fps，曝光時(shí)間設(shè)置為39 μs。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，利用1路氫氣和2路空氣為RDE模型供氣，氫氣減壓閥出口處壓力約為2.45 MPa，質(zhì)量流率約為11.1 g/s，2路空氣減壓閥出口處壓力都在約3 MPa，總的空氣質(zhì)量流率約為410.4 g/s，燃料和氧化劑的總質(zhì)量流率約為421.5 g/s，當(dāng)量比約為0.927。為防止高溫爆震產(chǎn)物對(duì)PCB造成嚴(yán)重的熱損傷，將RDE工作時(shí)間限制在約0.2 s。下文的p1、p2分別表示P1、P2點(diǎn)的高頻壓力信號(hào)，I1、I2分別表示I1、I2點(diǎn)的高頻離子信號(hào)，pc表示Pc點(diǎn)的壓力信號(hào)，p(H2)、p(air)分別表示氫氣集氣腔、空氣集氣腔內(nèi)壓力，Φ表示反應(yīng)物的質(zhì)量通量，fd是燃燒室內(nèi)高頻壓力信號(hào)經(jīng)快速傅里葉變換得到的主頻。

表1是9個(gè)不同實(shí)驗(yàn)工況及結(jié)果。當(dāng)w=6 mm時(shí)，隨著δ由1 mm變化到2 mm，爆震波頭數(shù)呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢(shì)。此外，F(xiàn)FT結(jié)果顯示雙波模態(tài)時(shí)的爆震波主頻最高，其次是四波對(duì)撞，而單波的主頻最低，燃燒室內(nèi)靜壓與主頻大小的變化規(guī)律一致。當(dāng)w=10 mm時(shí)，爆震波的傳播過(guò)程較復(fù)雜，往往混合幾種不同模態(tài)。在工況4下，主要以同向雙波模態(tài)傳播，同時(shí)也存在對(duì)撞現(xiàn)象。工況5和工況6的結(jié)果相似，同為“單雙波交替/對(duì)撞”混合傳播模態(tài)，指的是在爆震波傳播過(guò)程中有單波和雙波的交替出現(xiàn)，同時(shí)也有類似于工況4的對(duì)撞現(xiàn)象。FFT結(jié)果顯示工況4～6的高頻壓力信號(hào)都有2個(gè)主頻，增大δ的值，爆震波主頻有下降趨勢(shì)，但變化不大。與工況2得到的雙波主頻相比，工況4～6的雙波主頻有所降低，造成這一現(xiàn)象的可能原因是多方面的，其中包括：隨著w值的增大，Φ值相應(yīng)減小，導(dǎo)致爆震波強(qiáng)度有所減弱；此外，空氣集氣腔內(nèi)壓力的變化也會(huì)導(dǎo)致空氣噴注壓力的變化，在不同噴注條件下得到的結(jié)果也不盡相同。當(dāng)w=15 mm時(shí)，3種空氣進(jìn)氣環(huán)縫寬度下，爆震波都以穩(wěn)定的四波對(duì)撞模態(tài)傳播，且主頻大小相近。此外，四波對(duì)撞傳播模態(tài)下，即：工況1、工況7、工況8、工況9，這4種工況的爆震波主頻差異不大，均在4 518～4 699 Hz范圍內(nèi)變化。從表中得知：在w一定的條件下，隨著δ的逐漸增大，p(H2)基本不變，而p(air)呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，可見(jiàn)，δ增大后，通氣面積增大，導(dǎo)致空氣噴入燃燒室的壓力發(fā)生相應(yīng)的變化，同樣，噴氣速度也會(huì)發(fā)生變化，這可能是造成這些不同實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的部分原因。

比較δ一致，w不同的工況下，燃燒室內(nèi)靜壓的大小，發(fā)現(xiàn)：隨著w的增大，燃燒室內(nèi)靜壓pc都是逐漸減小的。分析測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在δ一定的條件下，p(air)隨w的增大逐漸下降，使空氣噴注速度及壓力發(fā)生變化，且同一質(zhì)量流率下，增大w的值，反應(yīng)物質(zhì)量通量隨之下降，這可能是造成這一現(xiàn)象的部分原因。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果Table 1 Experimental parameters and results

圖 3中的（a）、（b）、（c）分別是單波模態(tài)（SW）、雙波模態(tài)（DW）、四波對(duì)撞傳播模態(tài)（FWC）的示意圖，圖中簡(jiǎn)要給出了環(huán)形燃燒室及壓力測(cè)量點(diǎn)的位置。

圖4是工況3（SW）工況下，p(H2)、p(air)、pc及p1的曲線。開始時(shí)，為發(fā)動(dòng)機(jī)通冷流，p(H2)、p(air)及pc都處于平穩(wěn)狀態(tài)；待通氣穩(wěn)定后，觸發(fā)點(diǎn)火信號(hào)，如圖中“Ignition”所示，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的發(fā)展，p1出現(xiàn)高頻壓力波動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)開始工作，此時(shí)，p(H2)、p(air)及pc在高壓爆震波的影響下都有所上升，隨后，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定工作階段，這三路信號(hào)均維持在較平穩(wěn)的狀態(tài)。切斷空氣、氫氣供給后，集氣腔壓力和燃燒室內(nèi)靜壓都逐漸下降，p1逐漸恢復(fù)為0。整個(gè)工作過(guò)程持續(xù)的時(shí)間Δt約為0.121 s。

圖3 單波、雙波、四波對(duì)撞模態(tài)示意圖Fig. 3 The diagram of single wave (SW), double wave (DW)and four wave collision (FWC)

圖4 RDE工作過(guò)程壓力信號(hào)曲線Fig. 4 Curves of pressure signal during RDE working process

2.1 單波傳播模態(tài)

圖5是單波傳播模態(tài)（工況3）工況下，2 945.24～2 947.24 ms之間p1和p2的曲線。比較曲線相鄰峰值之間的時(shí)間間隔Δtsa和Δtsb，發(fā)現(xiàn)Δtsa明顯大于Δtsb，再對(duì)照?qǐng)D2（b）中測(cè)壓點(diǎn)P1和P2的位置，可以判斷爆震波沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)傳播。FFT主頻f3=2 989 Hz，燃燒室中徑da=(do+di)/2=190 mm，根據(jù)燃燒室中經(jīng)計(jì)算的爆震波平均傳播速度va3=πdaf3=1 784 m/s。

圖6所示為p1經(jīng)短時(shí)傅里葉變換（short-time Fourier transform，STFT）后的結(jié)果。爆震波頻率在2 930 Hz附近較集中，與FFT變換得到的主頻相近，在接近發(fā)動(dòng)機(jī)工作尾聲時(shí)，頻率呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。

圖5 高頻壓力信號(hào)時(shí)程曲線Fig. 5 Histories of High frequency pressure signals

圖6 短時(shí)傅里葉變換結(jié)果Fig. 6 Short-time Fourier transform result

圖7所示為2 945.24～2 947.24 ms之間I1和I2的曲線。I1、I2初始上升點(diǎn)時(shí)間間隔大于，離子信號(hào)的初始上升點(diǎn)對(duì)應(yīng)于火焰前鋒[15]，根據(jù)離子信號(hào)測(cè)量點(diǎn)I1和I2的位置也可以判斷出爆震波傳播方向?yàn)轫槙r(shí)針。離子信號(hào)的FFT主頻也為2 989 Hz，與壓力信號(hào)的結(jié)果一致。圖中標(biāo)記的A和B分別為I1的初始上升點(diǎn)和I1的峰值點(diǎn)，A和B之間的時(shí)間差Δtab=0.067 ms。此外，在火焰前鋒循環(huán)一個(gè)周期內(nèi)，離子信號(hào)曲線既有單波峰，也會(huì)出現(xiàn)雙波峰或多個(gè)波峰，其中，第一個(gè)波峰是由于火焰前鋒面內(nèi)發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量離子和自由電子，導(dǎo)致燃燒產(chǎn)物離子濃度迅速上升，而隨后出現(xiàn)的多個(gè)波峰可能是由于爆震波在燃燒室內(nèi)反射，反射激波誘導(dǎo)殘余的反應(yīng)物發(fā)生二次燃燒[15]，導(dǎo)致離子濃度再次升高。

圖8所示為發(fā)動(dòng)機(jī)全程工作下的I1曲線，此時(shí)，I1曲線的峰值最大能達(dá)到約7 V。

圖9所示為爆震波循環(huán)一個(gè)周期內(nèi)連續(xù)的高速攝影圖片，時(shí)間分布約為2 945.564～2 945.924 ms，對(duì)應(yīng)于圖7中A點(diǎn)附近某一時(shí)刻開始的1個(gè)周期內(nèi)的火焰信號(hào)。從圖中可以直觀地看出，環(huán)縫內(nèi)只有1道爆震波，其傳播方向?yàn)轫槙r(shí)針，與從圖5及圖7中得出的結(jié)論一致。相鄰2張圖片中的火焰前鋒轉(zhuǎn)過(guò)的角度 θi3≈42°，由此計(jì)算爆震波瞬時(shí)傳播速度 vi3=π·0.19·θi3·25 000/360=1 741 m/s，與上述計(jì)算得到的 va3相差不大。

圖7 I1，I2點(diǎn)信號(hào)時(shí)程曲線Fig. 7 Histories of signals at I1 and I2 points

圖8 I1信號(hào)全程工作下的過(guò)程Fig. 8 The whole working process of I1 signal

圖9 高速攝影圖片F(xiàn)ig. 9 High speed photography

2.2 雙波傳播模態(tài)

圖10所示為工況2下，2 916.20～2 918.20 ms之間的壓力曲線p1和p2?？梢钥闯?，p1和p2的壓力尖峰時(shí)間間隔Δtda和Δtab基本相等，與單波的結(jié)果明顯不同。爆震波主頻f2=5 057 Hz，平均傳播速度va2=πdaf2/2 = 1 509 m/s，低于單波模態(tài)下的爆震波平均傳播速度va3。這是由于以雙波模態(tài)工作的RDE，有2道爆震波同時(shí)消耗反應(yīng)物，對(duì)其中一道波而言，發(fā)動(dòng)機(jī)同一位置處的新鮮反應(yīng)物填充時(shí)間相對(duì)單波模態(tài)下更短，因此，化學(xué)反應(yīng)時(shí)間相對(duì)縮短，燃燒產(chǎn)生的熱量有所下降，導(dǎo)致單波的波速降低。圖5與圖10顯示的都是2 ms內(nèi)的壓力曲線，但對(duì)比2圖發(fā)現(xiàn)，后圖中曲線的周期數(shù)明顯多于前者。

圖11所示為p1的STFT結(jié)果，爆震波頻率在5 127 Hz附近較集中，這一頻率值與FFT結(jié)果較接近。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作初始階段，頻率逐漸上升；而在結(jié)束階段，頻率逐漸下降。

圖12所示為2 916.20～2 918.20 ms之間I1和I2的曲線?？梢钥闯?，離子信號(hào)初始上升點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔與也基本相等。圖中標(biāo)注的C、D分別是I1的初始上升點(diǎn)和最大值點(diǎn)，二者之間的時(shí)間間隔Δtcd= 0.051 ms。離子信號(hào)曲線也會(huì)出現(xiàn)單波峰或多波峰。

圖13所示為發(fā)動(dòng)機(jī)全程工作中I1的曲線，此時(shí)，I1的值明顯小于圖8所示單波的值，這也是由于：雙波模態(tài)下，對(duì)其中一道波而言，新鮮反應(yīng)物填充時(shí)間相對(duì)縮短，導(dǎo)致燃燒產(chǎn)生的離子和自由電子數(shù)量較少。

圖10 高頻壓力信號(hào)時(shí)程曲線Fig. 10 Histories of High frequency pressure signals

圖11 短時(shí)傅里葉變換結(jié)果Fig. 11 Short-time Fourier transform result

圖12 I1，I2點(diǎn)信號(hào)時(shí)程曲線Fig. 12 Histories of signals at I1 and I2 points

圖13 I1信號(hào)全程工作過(guò)程Fig. 13 The whole working process of I1 signal

圖14所示為圖12中C點(diǎn)附近某一時(shí)刻開始的連續(xù)高速攝影圖片。每張圖片中都清晰可見(jiàn)2道爆震波，分別用D1和D2表示。從圖10和12中分辨不出爆震波的傳播方向，但從高速攝影圖片可以清楚看出這2道爆震波均沿順時(shí)針?lè)较騻鞑ィ叶叱蕡A心對(duì)稱分布。對(duì)其中一道波而言，相鄰2張圖片的火焰前鋒轉(zhuǎn)過(guò)的角度 θi2≈37°，由此計(jì)算爆震波瞬時(shí)傳播速度 vi2=π·0.19·θi2·25 000/360=1 534 m/s，與上述計(jì)算得到的va2相差不大。

2.3 四波對(duì)撞傳播模態(tài)

圖14 高速攝影圖片F(xiàn)ig. 14 High speed photography

圖15是工況1下，2 833.80～2 835.80 ms之間的壓力曲線p1和p2。圖中標(biāo)注的E、F、G、H是按時(shí)間先后出現(xiàn)的壓力尖峰點(diǎn)，前2個(gè)點(diǎn)是p1的尖峰，后2個(gè)點(diǎn)是p2的尖峰，其分布特點(diǎn)與上述2個(gè)工況下的壓力曲線都存在明顯區(qū)別。對(duì)比工況1～3的3種不同模態(tài)下p1和p2的峰值，發(fā)現(xiàn)：四波對(duì)撞模態(tài)明顯低于單波和雙波模態(tài)下的值。這是由于，四波對(duì)撞模態(tài)下，燃燒室內(nèi)同時(shí)存在4道爆震波，當(dāng)前一道爆震波傳播過(guò)后，消耗掉新鮮反應(yīng)物，而下一道爆震波很快又傳播至相同的位置，導(dǎo)致新鮮反應(yīng)物的填充時(shí)間相對(duì)雙波模態(tài)進(jìn)一步縮短，且對(duì)撞會(huì)使爆震波強(qiáng)度有所衰減。

圖16所示為高頻壓力信號(hào)的STFT結(jié)果，可以看出，瞬時(shí)頻率在4 639 Hz附近較集中，但其大小不穩(wěn)定，在一定范圍內(nèi)變動(dòng)。同樣，接近發(fā)動(dòng)機(jī)工作尾聲，頻率是逐漸下降的。

圖15 高頻壓力信號(hào)時(shí)程曲線Fig. 15 Histories of High frequency pressure signals

圖16 短時(shí)傅里葉變換結(jié)果Fig. 16 Short-time Fourier transform result

圖17所示為2 833.80～2 835.80 ms之間的離子信號(hào)曲線I1和I2，小圖是大圖方框內(nèi)曲線的局部放大，圖中標(biāo)注了E、F、G、H這4點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻的位置。I1在E點(diǎn)和F點(diǎn)處的波動(dòng)很小，而I2在G點(diǎn)以后逐漸上升。對(duì)I2而言，從G點(diǎn)上升至最高點(diǎn)的時(shí)間（0.096 ms）與從最高點(diǎn)下降至零點(diǎn)的時(shí)間（0.107 ms）基本相等，這與單波、雙波模態(tài)有較大區(qū)別，后2種模態(tài)下，曲線的上升時(shí)間明顯短于下降時(shí)間。

圖18所示為發(fā)動(dòng)機(jī)全程工作下的I1曲線，曲線的峰值變化較大，且分布零散，與單波、雙波模態(tài)下的I1相比，此時(shí)I1的值最小。關(guān)于造成這一現(xiàn)象的原因可參照上文對(duì)壓力峰值較小的分析，且對(duì)撞后的爆震波強(qiáng)度削弱，導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度也隨之減弱。

圖17 I1和I2點(diǎn)信號(hào)時(shí)程曲線Fig. 17 Histories of signals at I1 and I2 points

圖18 I1全程工作過(guò)程Fig. 18 The whole working process of I1 signal

圖19所示為2 834.483～2 834.643 ms之間的連續(xù)高速攝影圖片。2 834.523 ms與圖15中E點(diǎn)時(shí)刻相近，此時(shí)，燃燒室環(huán)縫內(nèi)出現(xiàn)了4道明亮的火焰，分別用F1、F2、F3、F4標(biāo)出，與示意圖3（c）保持一致，其中，F(xiàn)1和F2沿逆時(shí)針?lè)较騻鞑ィ現(xiàn)3和F4沿順時(shí)針?lè)较騻鞑?。首先，F(xiàn)1傳播至P1點(diǎn)時(shí)引起壓力擾動(dòng)，如圖15中的E點(diǎn)所示，隨著時(shí)間推移，這4道波兩兩對(duì)撞，即F1和F3，F(xiàn)2和F4對(duì)撞，如2 834.563 ms時(shí)的圖片所示，“Collision”表示波的對(duì)撞。對(duì)撞后的透射激波沿各自原來(lái)的方向繼續(xù)向前傳播，如2 834.603 ms時(shí)的圖片所示，F(xiàn)3又傳播至P1點(diǎn)引起圖15中F點(diǎn)處的壓力擾動(dòng)。隨后，F(xiàn)1傳播至P2點(diǎn)，引起G點(diǎn)處的壓力尖峰。緊接著F1與F4在2 834.683 ms時(shí)刻相撞，對(duì)撞后的F4又傳播至P2點(diǎn)，引起H點(diǎn)處的壓力波動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)全程工作中，不斷重復(fù)上述對(duì)撞/傳播的過(guò)程。對(duì)其中任意一道爆震波而言，其循環(huán)一個(gè)周期，都會(huì)在4個(gè)位置與方向相反的爆震波發(fā)生對(duì)撞，圖中出現(xiàn)對(duì)撞的時(shí)刻約為2 834.563、2 834.683、2 834.763 ms，每次對(duì)撞會(huì)產(chǎn)生2個(gè)沿圓心對(duì)稱的對(duì)撞點(diǎn)，因此，在一個(gè)周期內(nèi)，共會(huì)出現(xiàn)8個(gè)對(duì)撞點(diǎn)。

2.4 混合傳播模態(tài)

圖20所示為工況6下，2 877.30～2 883.50 ms之間的壓力曲線p1和p2。這一時(shí)間內(nèi)，爆震波以單雙波交替的形式傳播，其中，雙波頻率約為4 274 Hz，單波頻率約為2 911 Hz。在爆震波傳播過(guò)程中，還伴隨著對(duì)撞現(xiàn)象，如圖21所示，圖中p2出現(xiàn)2個(gè)緊鄰的壓力尖峰。如圖22所示，依據(jù)p1峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔計(jì)算這幾個(gè)周期內(nèi)爆震波的平均頻率約為3 285 Hz，介于單波、雙波頻率值之間。圖23所示為p1的FFT結(jié)果，可以看出，頻率主要集中在3 319 Hz附近，其次，在4 373 Hz左右也較集中，除此之外，還存在其它較高的頻率值，如：2 943 Hz等。此工況下，爆震波的傳播過(guò)程較復(fù)雜，混合了雙波、單波及對(duì)撞幾種不同模態(tài)。

圖20 單雙波交替下的壓力曲線Fig. 20 Pressure signals of SW and DW alternation

圖21 對(duì)撞時(shí)的壓力曲線Fig. 21 Pressure signals of collision

圖22 高頻壓力信號(hào)時(shí)程曲線Fig. 22 High frequency pressure signals

圖23 傅里葉變換結(jié)果Fig. 23 Fourier transform result

3 結(jié) 論

本文中對(duì)不同環(huán)縫尺寸下的RDE開展了實(shí)驗(yàn)，共采用了3種燃燒室環(huán)縫寬度，并在每種燃燒室環(huán)縫寬度下改變空氣進(jìn)氣環(huán)縫寬度，通過(guò)分析壓力曲線、離子信號(hào)曲線和高速攝影圖片，得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)燃燒室環(huán)縫寬度較小時(shí)，隨著空氣進(jìn)氣環(huán)縫寬度的增加，爆震波頭數(shù)逐漸減少；當(dāng)燃燒室環(huán)縫寬度較大時(shí)，空氣進(jìn)氣環(huán)縫寬度的改變對(duì)爆震波傳播模態(tài)及壓力信號(hào)的主頻影響不大；

（2）雙波模態(tài)下的爆震波平均傳播速度低于單波模態(tài)下的值；對(duì)撞模態(tài)下的爆震波主頻介于雙波和單波的主頻之間；

（3）以四波對(duì)撞模態(tài)傳播的爆震波，在燃燒室內(nèi)同時(shí)存在2對(duì)以相反方向傳播的同向雙波，對(duì)撞過(guò)程中產(chǎn)生2個(gè)沿圓心對(duì)稱的對(duì)撞點(diǎn)，壓力峰值及離子信號(hào)峰值明顯低于單波和雙波模態(tài)下的值，且不同工況條件下的四波對(duì)撞的壓力信號(hào)主頻相差不多，在4 518～4 699 Hz范圍內(nèi)變化；

（4）在空氣進(jìn)氣環(huán)縫寬度不變的條件下，燃燒室內(nèi)靜壓隨燃燒室環(huán)縫寬度的增加而減小。