李寶星, 王中, 許桂陽(yáng), 翁春生, 趙鳳起
(1.西安近代化學(xué)研究所, 陜西 西安 710065; 2.南京理工大學(xué) 瞬態(tài)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210094)
爆轟燃燒具有熱力循環(huán)效率高、能量釋放速率快等優(yōu)點(diǎn),因此,基于爆轟燃燒方式的發(fā)動(dòng)機(jī)受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1]。其中旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)(RDE)通常采用環(huán)形燃燒室,燃料和氧化劑從頭部進(jìn)入燃燒室后,通過(guò)點(diǎn)火裝置引爆混合工質(zhì),在燃燒室內(nèi)形成一個(gè)或者多個(gè)周向傳播的爆轟波,爆轟產(chǎn)物從尾部高速排出產(chǎn)生推力。RDE僅需單次點(diǎn)火即可形成連續(xù)旋轉(zhuǎn)傳播的爆轟波,具有結(jié)構(gòu)緊湊、熱力循環(huán)效率高、推重比大等優(yōu)點(diǎn)。
基于RDE的諸多優(yōu)點(diǎn),使其成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。俄羅斯Bykovskii等[2-4]采用煤油為燃料,對(duì)氣體- 液體(簡(jiǎn)稱氣液)兩相旋轉(zhuǎn)爆轟開(kāi)展了大量研究工作,發(fā)現(xiàn)煤油與空氣組合情況下難以起爆,當(dāng)氧化劑中氧氣與氮?dú)獾捏w積比大于1時(shí),燃燒室內(nèi)才能形成自持傳播的爆轟波;通過(guò)速度補(bǔ)償法對(duì)燃燒室內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行拍攝,獲得氣液兩相旋轉(zhuǎn)爆轟流場(chǎng)及爆轟波傳播特性。隨后俄羅斯Frolov等[5]采用氫氣、液態(tài)丙烷、空氣3組元進(jìn)行旋轉(zhuǎn)爆轟實(shí)驗(yàn),當(dāng)氫氣、空氣形成自持爆轟后再加入液態(tài)丙烷,成功獲得了氣液兩相旋轉(zhuǎn)爆轟。波蘭Kindracki[6]使用煤油、氫氣和空氣3組元推進(jìn)劑進(jìn)行旋轉(zhuǎn)爆轟實(shí)驗(yàn),采用高頻壓力傳感器記錄燃燒室內(nèi)壓力變化,在空氣流量為320 g/s、氫氣10 g/s(小于氫氣與空氣可爆范圍的下限量)、煤油流量為16.5 g/s、當(dāng)量比(化學(xué)當(dāng)量的空燃比與實(shí)際燃燒的空燃比之比)為1.1條件下實(shí)現(xiàn)了自持傳播的爆轟波,傳播速度為1 500 m/s. 法國(guó)MBDA公司設(shè)計(jì)出全尺寸氣液兩相RDE,內(nèi)徑280 mm、外徑350 mm,計(jì)劃未來(lái)在該發(fā)動(dòng)機(jī)上采用氣氫/液氧、碳?xì)淙剂?空氣等推進(jìn)劑進(jìn)行地面實(shí)驗(yàn)[7]。關(guān)于氣液兩相RDE應(yīng)用方面,法國(guó)計(jì)劃將RDE應(yīng)用于英仙座導(dǎo)彈上作為動(dòng)力源[8]。
目前國(guó)內(nèi)關(guān)于RDE的實(shí)驗(yàn)研究大都集中于氣態(tài)燃料,北京大學(xué)[9]、清華大學(xué)[10]、國(guó)防科技大學(xué)[11-13]、南京理工大學(xué)[14-17]等單位針對(duì)爆轟波起爆、傳播模態(tài)與穩(wěn)定以及推力性能等方面開(kāi)展大量的實(shí)驗(yàn)研究。在氣液兩相旋轉(zhuǎn)爆轟方面,國(guó)防科技大學(xué)王迪等[18]對(duì)煤油為燃料、富氧空氣或純氧為氧化劑的RDE進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究后發(fā)現(xiàn),當(dāng)煤油流量為78 g/s、氧化劑氧含量為81.2%、當(dāng)量比為1.083時(shí),爆轟波以單波傳播,平均波速為649 m/s;以氧氣為氧化劑時(shí),爆轟波以雙波傳播,平均波速為1 848 m/s;在一定當(dāng)量比的范圍內(nèi),隨著氧含量增加,爆轟波速度逐漸增加。南京理工大學(xué)鄭權(quán)等[19]對(duì)汽油為燃料、富氧空氣為氧化劑的RDE進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,獲得不同當(dāng)量比和不同燃料噴注壓力條件下爆轟波的傳播特性,其中波速為1 022.2~1 171.8 m/s. 南京理工大學(xué)李寶星等[20-21]開(kāi)展了氣液兩相旋轉(zhuǎn)爆轟數(shù)值模擬研究,成功獲得了穩(wěn)定的氣液兩相旋轉(zhuǎn)爆轟流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。綜上所述,液態(tài)燃料實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)爆轟的實(shí)驗(yàn)研究相對(duì)較少,與氣態(tài)燃料相比,液態(tài)燃料RDE的工作條件更為苛刻,在其工作過(guò)程中,不僅需要考慮液態(tài)燃料的蒸發(fā)和霧化、燃料與氧化劑的摻混,還需要考慮燃料本身反應(yīng)活性、溫度等物理化學(xué)性質(zhì)。
由于液態(tài)燃料具有便于存儲(chǔ)、密度比沖高的優(yōu)點(diǎn),在工程應(yīng)用方面具有更廣闊的前景。到目前為止,關(guān)于煤油為燃料的旋轉(zhuǎn)爆轟波起爆與傳播特性尚不清楚,且當(dāng)空氣中的氧氣質(zhì)量含量至少為50%時(shí),才能獲得液態(tài)煤油為燃料的旋轉(zhuǎn)爆轟;除此之外,煤油與空氣中增加額外的氫氣才能形成自持傳播的爆轟波。因此,本文擬進(jìn)一步研究煤油是否能在較低氧含量條件下形成自持傳播的爆轟波。在常溫條件下開(kāi)展煤油/富氧空氣組合的氣液兩相RDE實(shí)驗(yàn)研究,分析氧化劑中氧含量對(duì)氣液兩相爆轟波起爆的影響以及氣液兩相爆轟波的傳播過(guò)程,歸納煤油燃料RDE的工作特性,以獲得貧油條件下爆轟波隨當(dāng)量比的傳播特性。
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示,由RDE模型、點(diǎn)火系統(tǒng)、供氣與供油系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等5部分組成。
圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.1 Experimental system
實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)采用環(huán)形燃燒室,燃燒室內(nèi)外徑分別120 mm和153 mm,長(zhǎng)度為240 mm. 在燃燒室上游距離頭部55 mm處外壁齊平安裝4個(gè)高頻壓力傳感器PCB1、PCB2、PCB3及PCB4,以PCB1位置定義為0°,從發(fā)動(dòng)機(jī)出口方向逆時(shí)針?lè)较蛴^測(cè),4個(gè)傳感器分別位于0°、60°、120°和240°,如圖2所示。壓力傳感器采樣頻率設(shè)定為500 kHz,上升時(shí)間小于等于1.0 μs. 發(fā)動(dòng)機(jī)采用切向安裝的氫氣與氧氣微小型脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)(PDE)作為點(diǎn)火起爆裝置。
圖2 壓力傳感器與點(diǎn)火裝置的相對(duì)位置Fig.2 Relative position of pressure sensor and ignition device
實(shí)驗(yàn)中采用的空氣、氫氣以及氧氣分別存儲(chǔ)于高壓罐、高壓氫氣瓶和高壓氧氣瓶?jī)?nèi)。煤油燃料存儲(chǔ)于高壓反應(yīng)釜內(nèi),在高壓氮?dú)鈹D壓作用下,通過(guò)環(huán)形陣列形式分布的噴嘴噴注進(jìn)入燃燒室;由此,為燃油提供良好的霧化效果,與來(lái)流富氧空氣進(jìn)行預(yù)混合。推進(jìn)劑供給系統(tǒng)分別由高壓氣源、減壓閥、電磁閥、流量計(jì)和單向閥等部件組成,可滿足大范圍流量工質(zhì)的供應(yīng)需求。在工質(zhì)供應(yīng)過(guò)程中,通過(guò)調(diào)節(jié)供應(yīng)管路上的減壓閥出口壓力,來(lái)調(diào)節(jié)推進(jìn)劑質(zhì)量流量和當(dāng)量比。質(zhì)量流量通過(guò)流量計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè),推進(jìn)劑供應(yīng)時(shí)間通過(guò)電磁閥進(jìn)行控制。
在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,采用自行設(shè)計(jì)的單片機(jī)來(lái)控制推進(jìn)劑的供給時(shí)間和點(diǎn)火時(shí)間。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要完成推進(jìn)劑質(zhì)量流量和燃燒室內(nèi)高頻壓力信號(hào)的實(shí)時(shí)采集。推進(jìn)劑質(zhì)量流量信號(hào)通過(guò)RS232轉(zhuǎn)RS485通信由電腦終端記錄,高頻壓力通過(guò)信號(hào)放大器和模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器處理后由美國(guó)國(guó)家儀器公司數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄。實(shí)驗(yàn)時(shí)序如圖3所示,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中首先開(kāi)啟采集系統(tǒng);隨后噴注空氣與氧氣,為發(fā)動(dòng)機(jī)提供氧化劑(富氧空氣);達(dá)到穩(wěn)定來(lái)流后向點(diǎn)火裝置內(nèi)噴注氫氣與氧氣,同時(shí)向發(fā)動(dòng)機(jī)噴注燃料;完成氫氣與氧氣填充后,進(jìn)行點(diǎn)火;點(diǎn)火裝置內(nèi)形成初始爆轟波和爆轟產(chǎn)物進(jìn)入環(huán)形燃燒室內(nèi)引燃預(yù)混燃料。發(fā)動(dòng)機(jī)的有效工作時(shí)間由實(shí)際工況決定,熄火時(shí)關(guān)閉燃料和氧氣,并持續(xù)噴注空氣數(shù)秒。
圖3 液態(tài)燃料旋轉(zhuǎn)爆轟實(shí)驗(yàn)控制時(shí)序Fig.3 Control sequence of liquid fuel rotating detonation experiment
當(dāng)煤油質(zhì)量流量為102.0 g/s、空氣質(zhì)量流量為993.0 g/s、氧氣質(zhì)量流量為206.5 g/s時(shí),當(dāng)量比為0.79,氧化劑中氧含量為36.3%,稱為工況1. 點(diǎn)火后,燃燒室內(nèi)高頻壓力時(shí)程曲線如圖4所示。壓力波動(dòng)甚小,點(diǎn)火裝置內(nèi)產(chǎn)生的初始爆轟波進(jìn)入燃燒室后并沒(méi)有形成連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟波,反應(yīng)物卻一直以緩燃形式燃燒,此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)起爆失敗。這是因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中:一方面由于燃料和氧化劑在受限空間內(nèi)摻混不均勻;另一方面煤油的可爆性相對(duì)較低,當(dāng)氧化劑中氧含量為36.3%時(shí),混合物的反應(yīng)活性偏低,導(dǎo)致初始爆轟波進(jìn)入燃燒室后沒(méi)有得到增強(qiáng),難以形成自持傳播的爆轟波。
圖4 工況1下燃燒室內(nèi)壓力時(shí)程曲線Fig.4 In-combustor pressure curves under operating condition 1
進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)其他質(zhì)量流量不變、空氣質(zhì)量流量減小到773.8 g/s時(shí),當(dāng)量比為0.90,富氧空氣中氧氣質(zhì)量含量為39.2%,稱為工況2,此時(shí)爆轟波成功起爆。點(diǎn)火初期燃燒室內(nèi)高頻壓力時(shí)程曲線如圖5所示,點(diǎn)火起爆裝置內(nèi)產(chǎn)生的初始爆轟波在917.4 ms進(jìn)入燃燒室,壓力峰值約為0.45 MPa,依次經(jīng)過(guò)PCB1、PCB2、PCB3和PCB4位置。隨后并沒(méi)有直接形成旋轉(zhuǎn)爆轟波,而是需要經(jīng)過(guò)一個(gè)復(fù)雜的過(guò)渡階段,在環(huán)形燃燒室曲率、摩擦和噴注燃料引起的湍流等作用下,燃燒波的火焰面與未燃反應(yīng)物之間的接觸面積和擴(kuò)散速率迅速增加,提高了化學(xué)反應(yīng)速率和能量釋放速率,從而加速火焰,同時(shí)產(chǎn)生壓縮波。壓縮波相互追趕疊加,形成強(qiáng)烈的沖擊波,沖擊波壓縮新鮮的反應(yīng)物,進(jìn)一步加強(qiáng)燃燒。此時(shí)壓力峰值的分布由疏到密且數(shù)值逐漸增大,隨后產(chǎn)生一系列壓縮波系逐漸匯合增強(qiáng),最終在932.2 ms形成自持傳播的爆轟波,在燃燒室內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)爆轟波所需要的過(guò)渡時(shí)間約為14.8 ms. 當(dāng)煤油的質(zhì)量流量為90.8 g/s時(shí),空氣質(zhì)量流量進(jìn)一步減少為481.5 g/s,氧氣質(zhì)量流量為206.5 g/s,當(dāng)量比為0.98,氧化劑中氧含量為46.1%,此時(shí)稱為工況3. 工況3條件下的點(diǎn)火初期燃燒室內(nèi)壓力時(shí)程曲線如圖6所示,壓力曲線的振蕩規(guī)律與工況2條件類似,同樣成功實(shí)現(xiàn)爆轟波的起。此時(shí),燃燒室內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)爆轟波所需的過(guò)渡時(shí)間約為7.2 ms,主要是由于氧化劑中氧含量提高,煤油與富氧空氣混合物反應(yīng)活性大大提高,加快了彼此之間的化學(xué)反應(yīng)速率,從而促進(jìn)旋轉(zhuǎn)爆轟波在燃燒室內(nèi)的快速形成。
圖6 工況3下點(diǎn)火初期燃燒室內(nèi)壓力時(shí)程曲線Fig.6 In-combustor pressure curves at initial ignitionstage under operating condition 3
由于傳感器受到高溫爆轟產(chǎn)物的影響,測(cè)試的原始電壓信號(hào)發(fā)生了溫度漂移現(xiàn)象,為消除漂移、便于分析,對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行高通濾波處理[11]。工況2和工況3條件下獲得的原始?jí)毫π盘?hào)通過(guò)高通濾波后,全局壓力曲線分別如圖7(a)和圖7(b)所示。
為了分析爆轟波的具體傳播情況,將工況2和工況3條件下所獲的壓力曲線放大,如圖7(c)和圖7(d)所示。其中圖7(c)所示的壓力波形時(shí)序?yàn)镻CB1→(PCB2=PCB4)→PCB3→PCB3→(PCB2=PCB4)→PCB1,表示爆轟波先經(jīng)過(guò)PCB1位置后,同時(shí)經(jīng)過(guò)PCB2和PCB4位置,隨后兩次經(jīng)過(guò)PCB3位置,再同時(shí)經(jīng)過(guò)PCB2和PCB4后,最后經(jīng)過(guò)PCB1. 該過(guò)程中,每相鄰的兩個(gè)較高PCB1壓力峰值之間存在兩個(gè)PCB2、兩個(gè)PCB3和兩個(gè)PBC4的壓力峰值,由此可以判斷爆轟波以典型的雙波對(duì)撞模態(tài)在燃燒室內(nèi)傳播,對(duì)應(yīng)的爆轟波傳播示意圖如圖7(e)所示。相向的兩個(gè)爆轟波在對(duì)撞點(diǎn)150°位置處發(fā)生碰撞后,分別透射到彼此的波后爆轟產(chǎn)物中并轉(zhuǎn)變成透射激波,兩個(gè)透射激波在新鮮燃料的支持下逐漸形成爆轟波,隨后在對(duì)撞點(diǎn)330°位置處發(fā)生碰撞。圖7(d)中壓力波形所呈現(xiàn)的振蕩規(guī)律與圖7(c)中類似,但此時(shí),在時(shí)序上PCB2和PCB3處的壓力波形變化一致。由此表明在工況3條件下,爆轟波仍以雙波對(duì)撞模態(tài)工況,但對(duì)撞點(diǎn)位于90°和270°附近,此時(shí)的爆轟波傳播示意圖如圖7(f)所示。
圖7 高頻壓力時(shí)程曲線及爆轟波傳播示意圖Fig.7 High frequency pressure-time curves and detonation wave propagation diagrams
為進(jìn)一步分析爆轟波的傳播特性,對(duì)工況2和工況3條件下的PCB2高頻壓力信號(hào)進(jìn)行頻域分析。通過(guò)快速傅里葉變換(FFT)得到兩工況高頻壓力信號(hào)的功率譜密度隨頻率分布如圖8所示,振蕩主頻分布范圍分別為1.713~1.887 kHz和1.810~1.847 kHz,獲得的最大一次主頻分別為1.757 kHz和1.859 kHz. 由此可見(jiàn),工況3獲得的主頻分布情況比工況2的更為集中,表明工況3條件下爆轟波傳播的穩(wěn)定性要高于工況2.
圖8 不同工況下高頻壓力曲線頻域結(jié)果Fig.8 Frequency domain results of high frequency pressure curves under different operating conditions
為確認(rèn)爆轟波的傳播特性,基于PCB2的高頻壓力信號(hào)求得的爆轟波傳播頻率和速度隨時(shí)間分布,如圖9所示。工況2條件下的平均傳播頻率和平均傳播速度分別為1.750 kHz和840.7 m/s;工況3條件下的平均傳播頻率和平均傳播速度分別為1.861 kHz和894.1 m/s. 兩工況下,通過(guò)時(shí)域所獲得的平均頻率分別為1.750 kHz和1.861 kHz,與頻域結(jié)果1.757 kHz和1.859 kHz吻合較好。如時(shí)域結(jié)果所示,與工況2相比,工況3所獲得頻率和速度分布更為集中,從而進(jìn)一步印證了工況3下爆轟波傳播更為穩(wěn)定。
在本文實(shí)驗(yàn)裝置下,給出不同工況條件下煤油燃料RDE的工作特性(爆轟形式和緩燃形式),如圖10(a)所示。從圖10中可以看出,當(dāng)煤油的質(zhì)量流量qm,f為102 g/s,氧氣質(zhì)量流量qm,O2為207 g/s時(shí),隨著空氣質(zhì)量流量的增加,發(fā)動(dòng)機(jī)的工作形式發(fā)生改變,當(dāng)空氣質(zhì)量流量增加至822 g/s以上,發(fā)動(dòng)機(jī)基本以緩燃的形式工作;當(dāng)煤油的質(zhì)量流量qm,f為91 g/s,氧氣質(zhì)量流量qm,O2為207 g/s,且空氣質(zhì)量流量在低于822 g/s的條件下,發(fā)動(dòng)機(jī)均以爆轟形式工作??赡苁且环矫嬗捎趤?lái)流空氣質(zhì)量流量過(guò)大,噴注速度較快,混合物摻混效果差,在相同的點(diǎn)火條件下,難以形成自持傳播的爆轟波;另一方面,由于混合物中氧含量相對(duì)較低,導(dǎo)致反應(yīng)活性偏低,爆轟波起爆困難。隨著空氣質(zhì)量流量的減小,來(lái)流對(duì)爆轟波初始形成過(guò)程影響減弱、氧含量提高,并能夠滿足爆轟波自持傳播條件,爆轟波均以雙波對(duì)撞模態(tài)傳播。不同當(dāng)量比條件下爆轟波的傳播速度如圖10(b)所示,在貧油條件下,隨著當(dāng)量比增加,爆轟波速度呈增加趨勢(shì),但速度均偏低。
圖9 不同工況條件下根據(jù)PCB2求得的爆轟波傳播頻率和速度隨時(shí)間分布Fig.9 Distributions of detonation wave propagation frequency and velocity acquired by PCB2 over time under different operating conditions
圖10 發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性和爆轟波速度隨當(dāng)量比分布情況Fig.10 Distributions of engine working characteristics and detonation wave velocity with equivalence ratio
雙波對(duì)撞傳播模態(tài)的形成條件及速度虧損原因分析如下:燃燒室內(nèi)能夠快速建立一定高度的預(yù)混燃料層,并且雙波對(duì)撞后的透射激波保持足夠的強(qiáng)度,能夠快速誘導(dǎo)混合物再次增強(qiáng)為爆轟波,為實(shí)現(xiàn)雙波對(duì)撞傳播模態(tài)的關(guān)鍵[11]。爆轟波以雙波對(duì)撞模態(tài)傳播過(guò)程中,可能由于每個(gè)周期內(nèi)對(duì)撞后,引起燃燒室內(nèi)局部壓力高低差異顯著,從而影響了燃料和氧化劑的噴注過(guò)程,進(jìn)而影響了預(yù)混燃料層建立位置,導(dǎo)致爆轟波的對(duì)撞點(diǎn)也會(huì)發(fā)生變化;燃料與氧化劑的摻混效果不均,實(shí)驗(yàn)裝置的加工和安裝偏差導(dǎo)致的外部不穩(wěn)定也可能是引起雙波對(duì)撞的因素。整個(gè)雙波對(duì)撞過(guò)程屬于“爆轟解耦- 快速起爆- 爆轟加強(qiáng)”過(guò)程,平均傳播速度偏低,受到燃燒室壁面、曲率、燃料的霧化與摻混、反應(yīng)物活性、側(cè)向膨脹等影響,導(dǎo)致爆轟波速度的虧損十分嚴(yán)重。
本文在不同工況條件下開(kāi)展了煤油與富氧空氣組合的RDE實(shí)驗(yàn)研究,常溫下成功實(shí)現(xiàn)了氣液兩相旋轉(zhuǎn)爆轟的起爆與自持傳播,得到主要結(jié)論如下:
1)在給定實(shí)驗(yàn)裝置中,氧化劑中氧含量為36.3%時(shí),爆轟波無(wú)法成功起爆,直至氧含量增加到39.2%,才能形成自持傳播的爆轟波;煤油燃點(diǎn)高,不易揮發(fā)和燃燒,活性相對(duì)較低,導(dǎo)致其可爆性較差,需通過(guò)增加氧含量,提高反應(yīng)物活性,方能起爆。
2)在給定實(shí)驗(yàn)裝置中,氣液兩相爆轟波成功起爆后均以雙波對(duì)撞模態(tài)傳播,整個(gè)雙波對(duì)撞過(guò)程屬于爆轟解耦- 快速起爆- 爆轟加強(qiáng)過(guò)程,平均傳播速度偏低,波速分布在815~920 m/s范圍內(nèi)。
3)給出了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性,當(dāng)空氣的質(zhì)量流量大于822 g/s時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)基本以緩燃形式工作;隨著空氣質(zhì)量流量的減小,來(lái)流對(duì)爆轟波初始形成過(guò)程影響減弱,同時(shí)混合物氧含量提高,能夠滿足爆轟波自持傳播條件;在貧油條件下,隨著當(dāng)量比增加,爆轟波的傳播速度呈增加趨勢(shì)。