王云, 范瑋, 李紅賓

(西北工業(yè)大學(xué) 動力與能源學(xué)院, 陜西 西安 710129)

脈沖爆震發(fā)動機(jī)(pulse detonation engine,PDE)是利用脈沖式爆震波產(chǎn)生推力的新概念發(fā)動機(jī)[1]。PDE具有熱循環(huán)效率高、結(jié)構(gòu)簡單、推重比大、運(yùn)行簡單等特點，引起了世界各國的廣泛關(guān)注和積極研究[2-3]。根據(jù)是否攜帶氧化劑，可以分為吸氣式脈沖爆震發(fā)動機(jī)(air-breathing pulse detonation engine,APDE)和脈沖爆震火箭發(fā)動機(jī)(pulse detonation rocket engine,PDRE)。無閥式PDRE相較于傳統(tǒng)的PDRE減少了隔離氣體的使用，縮短了循環(huán)周期，能夠有效提高PDRE的工作頻率上限[4-5]。

發(fā)動機(jī)主爆震室內(nèi)的爆震波可通過直接起爆、兩級起爆和由緩燃向爆震轉(zhuǎn)變(deflagration to detonation transition,DDT)的方式產(chǎn)生[6]。在發(fā)動機(jī)的實際應(yīng)用中為減輕發(fā)動機(jī)質(zhì)量和降低發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，主要采用DDT的方式來實現(xiàn)爆震的起始。為加速DDT過程，研究人員通常在爆震管中加裝各種形式的障礙物，如孔板、Shchelkin螺旋、凹槽等[7-8]。Ciccarelli等[9]和Gamezo等[10]分別通過實驗和數(shù)值計算研究了障礙物間距對DDT過程的影響，結(jié)果表明障礙物間距等于管徑時的效果較好，過小的障礙物間距會抑制爆震波的形成，障礙物間距過大會導(dǎo)致DDT距離增大。Gagnon等[11]和Goodwin等[12]分別通過實驗和數(shù)值計算研究了阻塞比對火焰加速過程的影響，結(jié)果表明障礙物阻塞比在0.3～ 0.6之間可以有效地加速DDT過程，而阻塞比超出這個區(qū)間會使DDT距離急劇增大。Li等[13]比較了螺旋凹槽和Shchelkin螺旋對煤油氧氣DDT過程的影響，兩者都可實現(xiàn)爆震的起始，但沒有進(jìn)行兩者DDT距離和DDT時間的差別。此外，Brophy等[14]研究發(fā)現(xiàn)使用文式管、漸擴(kuò)等爆震管前端結(jié)構(gòu)可以提高無障礙物的爆震管中的起爆概率并縮短DDT距離。蔣弢等[15]的研究表明爆震管前端使用文式管可以優(yōu)化填充，但會限制爆震發(fā)動機(jī)的工作頻率，因此在高頻工作時不能使用文式管。以上研究分別針對障礙物和爆震管的前端結(jié)構(gòu)對DDT過程的影響進(jìn)行了研究，但兩者對DDT過程的綜合影響沒有被研究。

平均推力和比沖是衡量PDRE推進(jìn)性能的重要參數(shù)。Cooper等[16]利用懸擺法進(jìn)行了單次爆震的沖量測量，裝滿Shchelkin螺旋的爆震管和不加障礙物相比約有13%的沖量損失，而裝滿孔板的爆震管有25%左右的沖量損失。Wintenberger等[17]建立了半經(jīng)驗等截面無噴管和障礙物的PDE推力計算模型。嚴(yán)傳俊等[1]基于一維兩相爆震方程，推導(dǎo)了考慮液滴尺寸和流動阻力對爆震波速和比沖影響的計算模型。Li等[13]利用直接測量法比較了螺旋凹槽與Shchelkin螺旋對PDRE推力的影響，結(jié)果表明在工作頻率較低時，螺旋凹槽有增推效果，但隨著工作頻率的增大，增推效果降低。Wang等[18]采用直接測量法研究了頻率對APDE推進(jìn)性能的影響，混合物比沖隨著PDE工作頻率的提高而增加，所測比沖比Wintenberger等的計算模型低37%～45%，考慮液滴霧化效果和流動阻力對比沖的影響，實驗結(jié)果和嚴(yán)傳俊等[1]的模型計算結(jié)果接近。以上研究均集中于障礙物和液滴尺寸對PDE推進(jìn)性能的影響，對爆震管前端的結(jié)構(gòu)對PDE推進(jìn)性能的影響缺乏研究。

本研究基于Wang等[4]提出的PDRE無閥自適應(yīng)方式，對不同爆震管結(jié)構(gòu)的PDRE的起爆和推進(jìn)性能進(jìn)行了實驗研究。實驗中采用離子探針和壓力傳感器分別測量爆震管內(nèi)火焰鋒面位置和壓力振蕩信號，利用推力傳感器對PDRE的推力進(jìn)行測量，分析了PDRE的DDT過程，討論了爆震管結(jié)構(gòu)對推進(jìn)性能的影響，研究結(jié)果對于PDRE的設(shè)計和工程應(yīng)用有一定的參考價值。

1 實驗系統(tǒng)介紹

實驗系統(tǒng)圖如圖1所示，由爆震管、動架、靜架、供給系統(tǒng)、點火系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。爆震管采用模塊化設(shè)計，分別為摻混段(爆震管前端)，障礙物段和光滑管段，其中摻混段長122.5 mm，障礙物段長195 mm，光滑段長307.5 mm，爆震管內(nèi)徑30 mm。實驗采用汽油作為燃料，氧氣與氮?dú)怏w積比為40%∶60%的富氧空氣作為氧化劑。實驗中采用無閥自適應(yīng)的方式控制汽油與富氧空氣的供給，汽油與富氧空氣從爆震管頭部進(jìn)入并填滿爆震管。可燃混氣由火花塞(50 mJ)點燃，PDRE的工作頻率與點火頻率相同(20 Hz)，火花塞距爆震管頭部80 mm。

圖1 PDRE實驗系統(tǒng)圖

實驗選取了2種摻混段結(jié)構(gòu)和4種障礙物結(jié)構(gòu)來研究爆震管結(jié)構(gòu)對PDRE性能的影響。摻混段結(jié)構(gòu)如圖2所示，突擴(kuò)結(jié)構(gòu)的摻混段為等截面，進(jìn)氣孔到爆震管是突擴(kuò)結(jié)構(gòu)；漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)的摻混段為逐漸擴(kuò)張截面，一端的內(nèi)徑等于進(jìn)氣孔的內(nèi)徑(10 mm)，另一端的內(nèi)徑等于障礙物段和光滑管段的內(nèi)徑。障礙物結(jié)構(gòu)如圖3所示，Shchelkin螺旋的絲徑為3 mm，螺旋凹槽的截面形狀為長軸3 mm、短軸1.5 mm的半橢圓，孔板為外徑30 mm、內(nèi)徑24 mm、長3 mm的圓環(huán)，環(huán)形凹槽為深3 mm、寬3 mm的凹槽，其中Shchelkin螺旋和孔板的阻塞比為0.36，4種障礙物的間隔均與管徑相等。

圖2 摻混段結(jié)構(gòu)示意圖

為監(jiān)測爆震管障礙物段和光滑管段內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ズ蛪毫φ袷幥闆r，在爆震管壁面不同截面上分別安裝離子探針和壓電式壓力傳感器(SINOCERA CY-YD-205，頻響500kHz，測量誤差±72.5mV/MPa)，離子探針和壓力傳感器的安裝夾角為90°。離子探針和壓力傳感器的位置如圖1所示，從前向后依次標(biāo)記為U1～U7,P1～P7。為避免傳感器和障礙物之間的相互影響，不同障礙物段傳感器的安裝位置不同，裝有Shchelkin螺旋和螺旋凹槽的爆震管上U1～U3,P1～P3距爆震管頭部的距離分別為160 mm,220 mm,280 mm，而裝有孔板和環(huán)形凹槽的爆震管上U1～U3,P1～P3距爆震管頭部的距離分別為150 mm,210 mm,270 mm，光滑管段的傳感器位置相同，U4～U7,P4～P7距爆震管頭部的距離分別為355 mm,415 mm,475 mm,535 mm。PDRE的瞬態(tài)推力由安裝在動架與靜架之間的壓電式推力傳感器(Kistler 9331B，靈敏度3.845 pC/N，測量范圍±20 kN)直接測量。離子探針信號、壓力傳感器信號和推力傳感器信號分別經(jīng)信號放大器處理后，由高速采集儀(DEWETRON 3020)采集獲得，采樣頻率為200 kHz。

2 實驗結(jié)果分析

為了研究不同摻混段結(jié)構(gòu)和障礙物結(jié)構(gòu)對無閥自適應(yīng)式PDRE性能的影響，實驗中固定填充當(dāng)量比為1.4，進(jìn)行了工作頻率為20 Hz的無閥式兩相多循環(huán)實驗。

2.1 結(jié)構(gòu)對DDT過程的影響分析

混合物的C-J爆震參數(shù)可以通過NASA CEA程序計算得到，由于該程序只能計算氣態(tài)混合物的C-J爆震參數(shù)，本文中采用與汽油性質(zhì)相近的正辛烷來進(jìn)行替代計算。氧化劑與正辛烷的初始溫度均為283 K，初始壓力為1.01×105MPa，由NASA CEA程序計算可得混合物的C-J速度為2 105.7 m/s，C-J壓力為2.95 MPa。實驗中通過采集系統(tǒng)可以獲得每個循環(huán)中火焰鋒面位置和壓力振蕩的信號，將火焰鋒面的軸向傳播速度和峰值壓力分別與C-J速度和C-J壓力進(jìn)行比較，來判定是否有爆震產(chǎn)生?；鹧驿h面的軸向速度可以通過離子探針采集到的信號計算得到：假設(shè)n和n+1離子探針感應(yīng)到火焰鋒面的時刻分別為tn和tn+1，兩者間隔距離為Δx，則火焰在2個離子探針之間平均速度v=Δx/(tn+1-tn)。

Li等[19]和Zhang等[20]對于氣態(tài)燃料爆震在有障礙物和無障礙物管道中傳播的實驗結(jié)果表明，爆震穩(wěn)定傳播的速度下限約為C-J速度的80%。在對于液態(tài)燃料爆震的研究中，考慮液滴尺寸的影響，Wang等[21]將C-J速度和C-J壓力的80%作為判斷無障礙物管道中爆震是否產(chǎn)生的依據(jù)。因此在本實驗中，若火焰速度和對應(yīng)位置的峰值壓力分別超過80%的C-J速度和C-J壓力，則認(rèn)為形成了爆震，同時DDT距離定義為從爆震管頭部到2個離子探針和壓力傳感器中間位置的距離，DDT時間定義為從發(fā)出點火信號到火焰鋒面到達(dá)起爆位置時所用的時間[22]。

摻混段為突擴(kuò)結(jié)構(gòu)且裝有孔板的PDRE的連續(xù)10個循環(huán)的火焰速度和對應(yīng)的壓力如圖4和圖5所示，其中循環(huán)1的壓力波形放大圖如圖6所示。不同循環(huán)中火焰速度在爆震起始之前存在一定的差異，爆震起始后，受離子探針布置間距和采樣頻率的影響，火焰在光滑管段中的速度相同為2 000 m/s，約為C-J速度的95%。各循環(huán)的壓力峰值在P4處最高(約4 MPa)，后3個壓力傳感器測得的壓力峰值有所下降，峰值穩(wěn)定在2.7 ～ 2.9 MPa，略低于C-J壓力。綜合圖4和圖5可以確定PDRE中產(chǎn)生了穩(wěn)定的爆震波。將火焰速度和壓力峰值與80%的C-J速度和C-J壓力進(jìn)行比較，可得循環(huán)1,5和8的DDT距離為312.5 mm，其余7個循環(huán)的DDT距離為385 mm。

圖5 突擴(kuò)摻混段孔板的壓力圖 圖6 循環(huán)1的壓力波形放大圖

圖7為裝有不同摻混段結(jié)構(gòu)和障礙物結(jié)構(gòu)PDRE的DDT距離。從圖中可以看出，使用突擴(kuò)結(jié)構(gòu)的摻混段可以縮短DDT距離。裝有螺旋凹槽、環(huán)形凹槽和孔板的PDRE的受摻混段結(jié)構(gòu)的影響較大，三者均縮短50 mm左右，而摻混段結(jié)構(gòu)對裝有Shchelkin螺旋的PDRE的影響較小，DDT距離僅縮短7 mm。螺旋凹槽和環(huán)形凹槽的DDT距離基本相同，在使用突擴(kuò)結(jié)構(gòu)的摻混段時，兩者相差4 mm，使用漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)的摻混段時相差6 mm。使用漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)的摻混段時，Shchelkin螺旋和孔板的DDT距離相差5 mm，這是由于離子探針和壓力傳感器安裝位置不同導(dǎo)致的，可以認(rèn)為兩者的DDT距離相等。裝有不同摻混段結(jié)構(gòu)和障礙物結(jié)構(gòu)PDRE的DDT時間如圖8所示。

圖7 不同結(jié)構(gòu)的DDT距離

圖8 不同結(jié)構(gòu)的DDT時間

使用漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)的摻混段可以有效降低使用4種障礙物結(jié)構(gòu)PDRE的DDT時間，Shchelkin螺旋、螺旋凹槽、環(huán)形凹槽和孔板的DDT時間分別縮短0.149 ms,0.245 ms,0.314 ms,0.212 ms。螺旋凹槽和環(huán)形凹槽及Shchelkin螺旋和孔板的DDT時間在使用突擴(kuò)結(jié)構(gòu)的摻混段時均基本相等，螺旋凹槽的DDT時間比環(huán)形凹槽長0.023 ms，而Shchelkin螺旋僅比孔板短0.009 ms，但在使用漸擴(kuò)的結(jié)構(gòu)摻混段時兩組的差距增大，螺旋凹槽的DDT時間比環(huán)形凹槽短0.092 ms，Shchelkin螺旋比孔板長0.054 ms。漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)摻混段的使用縮短了PDRE的DDT距離和DDT時間，有利于在應(yīng)用中實現(xiàn)PDRE的小型化和高頻工作。

漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)的摻混段能縮短DDT距離和DDT時間主要是因為其有效提高了爆震管中汽油填充的均勻度。在從封閉端填充液態(tài)燃料和氧化劑的爆震管中，由于爆震管頭部存在回流區(qū)以及障礙物的影響，液態(tài)燃料會在頭部附近和障礙物段聚集，從而使得爆震管后端的燃料分布較少。漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)摻混段的使用可以減少頭部回流區(qū)的形成，使得原來會在爆震管頭部聚集的燃料能夠向爆震管后端填充，提高爆震管中燃料分布的均勻度。此外，PDRE多循環(huán)工作中爆震管的壁溫會隨著工作時長增加而逐漸升高，在使用漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)摻混段的爆震管中，更多的燃料會在摻混段壁面聚集，從而可以提高燃料的蒸發(fā)速度，有助于加快DDT過程。但漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)的摻混段對Shchelkin螺旋的影響較小，這是由于Shchelkin螺旋在4種障礙物中對于燃料填充的影響最小，摻混段結(jié)構(gòu)的改變對于其填充效果的改善不明顯，且其對于火焰的加速的效果也優(yōu)于其他3種障礙物導(dǎo)致的。螺旋凹槽和環(huán)形凹槽由于其對火焰的拉伸效果較小，也不能高效地增加流動的湍流度，不利于火焰加速，使得兩者的DDT距離和DDT時間都比Shchelkin螺旋和孔板的長。

2.2 結(jié)構(gòu)對推進(jìn)性能的影響分析

(1)

(2)

根據(jù)Wintenberger[15]的推力計算模型，等截面不加噴管和障礙物的直爆震管的理論平均推力可由公式(3)和(4)求得

(3)

(4)

式中:p3為爆震管內(nèi)封閉端壓力;p1為環(huán)境壓力;UCJ為爆震波的C-J速度;V為爆震管的體積;f為PDRE的工作頻率;γ為反應(yīng)產(chǎn)物的比熱比;pCJ為爆震波的C-J壓力。公式(3)和(4)中所需的爆震參數(shù)可由化學(xué)平衡計算程序NASA CEA計算得到。忽略實驗中所用爆震管中的障礙物和摻混段結(jié)構(gòu)，使用突擴(kuò)結(jié)構(gòu)摻混段PDRE的理論平均推力約為17.3 N，使用漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)摻混段PDRE的理論平均推力約為15.6 N。

圖9為裝有不同摻混段結(jié)構(gòu)和障礙物結(jié)構(gòu)PDRE的平均推力。實驗測得的PDRE平均推力較理論值有不同程度的虧損，使用突擴(kuò)結(jié)構(gòu)摻混段和Shchelkin螺旋、螺旋凹槽、環(huán)形凹槽和孔板的PDRE平均推力分別比理論值低13.3%，20.2%，19.1%和15.6%，使用漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)摻混段的PDRE平均推力分別比理論值低18.5%，23.7%，24.3%和21.8%。平均推力的損失主要來自于障礙物和漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)摻混段使用帶來的流阻損失及液滴尺寸帶來的爆震波速與壓力虧損，其次填充混合物從爆震管流出也會帶來推力的損失。螺旋凹槽和環(huán)形凹槽雖然流阻損失較小，但其DDT距離和DDT時間長，從而推力損失大于Shchelkin螺旋和孔板。摻混段由突擴(kuò)結(jié)構(gòu)變?yōu)闈u擴(kuò)結(jié)構(gòu)，PDRE的平均推力由不同程度的下降。裝有Shchelkin螺旋、螺旋凹槽、環(huán)形凹槽和孔板的PDRE使用漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)摻混段的平均推力分別為使用突擴(kuò)結(jié)構(gòu)摻混段時的84.6%，86.2%，84.3%和83.5%。平均推力下降的主要是由使用漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)摻混段使得爆震管的體積減小，管內(nèi)裝填的燃料和氧化劑質(zhì)量減少導(dǎo)致的，少部分來自漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的流動損失。

圖9 不同結(jié)構(gòu)的平均推力

PDRE在工作時處于過填充狀態(tài)，理論上過填充的可燃混合物直接從爆震管排出，而爆震管外的反應(yīng)物是無約束的，因此不會產(chǎn)生推力。僅考慮爆震管內(nèi)的燃料和氧化劑質(zhì)量，裝有不同摻混段結(jié)構(gòu)和障礙物結(jié)構(gòu)PDRE的混合物比沖如圖10所示。在計算混合物比沖時假設(shè)過填充時燃料和氧化劑會按照填充時的當(dāng)量比從爆震管中排出，但實際上燃油由于會在爆震管頭部和障礙物段富集，從爆震管開口端排出的混合物中燃料的流量量低于填充流量，因此計算的混合物比沖比實際值略大。漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)摻混段的使用會帶來一定的比沖損失，裝有Shchelkin螺旋、螺旋凹槽、環(huán)形凹槽和孔板的PDRE在使用漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)摻混段時的比沖比使用突擴(kuò)結(jié)構(gòu)摻混段時的比沖分別下降5.9%，4.2%，6.3%和7.2%。漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)摻混段PDRE的比沖下降主要受到漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)帶來的流動損失的影響。此外突擴(kuò)結(jié)構(gòu)摻混段頭部的回流區(qū)相較于漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)會使更多的燃料在頭部富集，使得突擴(kuò)結(jié)構(gòu)摻混段PDRE的比沖計算值偏大更多，從而會帶來兩者之間的比沖差別。

圖10 不同結(jié)構(gòu)的混合物比沖

3 結(jié) 論

本文通過實驗研究了不同摻混段結(jié)構(gòu)和障礙物結(jié)構(gòu)對無閥自適應(yīng)式PDRE性能的影響，通過對PDRE的DDT過程和推進(jìn)性能的討論分析，可以得到如下結(jié)論：

1) 漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)摻混段的使用可以縮短PDRE的DDT距離和DDT時間，但采用Shchelkin螺旋的PDRE的DDT距離受摻混段結(jié)構(gòu)的影響較小。

2) 螺旋凹槽和環(huán)形凹槽對火焰加速效果較弱，DDT距離和DDT時間均比Shchelkin螺旋和孔板的要長。

3) 受液滴尺寸和流阻損失等的影響，使用突擴(kuò)結(jié)構(gòu)摻混段的PDRE平均推力和Wintenberger模型的理論值相比有13.3%～20.2%的損失，而漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)摻混段的PDRE平均推力比理論值低18.5%～24.3%。

4) 漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)摻混段PDRE的性能都低于突擴(kuò)結(jié)構(gòu)摻混段PDRE，漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)摻混段的使用會帶來4.2%～7.2%的比沖損失。