李舒欣，胡洪波，許紅衛(wèi)

(西安航天動(dòng)力研究所 液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710100)

0 引言

爆震波點(diǎn)火技術(shù)是利用低壓可燃混氣產(chǎn)生的爆震波實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火啟動(dòng)的一種新型點(diǎn)火技術(shù)。該技術(shù)應(yīng)用于液氧甲烷火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，具有可實(shí)現(xiàn)多次點(diǎn)火、降低點(diǎn)火系統(tǒng)供給壓力、簡(jiǎn)化點(diǎn)火系統(tǒng)與保證點(diǎn)火同步性[1]等優(yōu)勢(shì)。

爆震波點(diǎn)火的過(guò)程如下：甲烷與氧氣進(jìn)入預(yù)燃點(diǎn)火室，并在預(yù)燃點(diǎn)火室以及爆震波導(dǎo)管中充分混合。隨后，電火花塞打火點(diǎn)燃預(yù)混點(diǎn)火室中氣體，產(chǎn)生緩燃火焰，緩燃火焰在爆震導(dǎo)管中加速，實(shí)現(xiàn)緩燃向爆震轉(zhuǎn)變(deflagration to detonation transition，DDT)進(jìn)而形成爆震波。爆震波及高溫燃?xì)鈧魅胪屏κ也⑵湟肌?/p>

目前，對(duì)于液氧/甲烷火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火研究集中在火炬點(diǎn)火方式上[2-8]，然而火炬點(diǎn)火對(duì)系統(tǒng)供應(yīng)壓力的要求相對(duì)較高，使得點(diǎn)火系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，這在實(shí)現(xiàn)多機(jī)并聯(lián)同步點(diǎn)火時(shí)更加明顯。為此，有研究者嘗試?yán)帽鸩ㄗ栽鰤旱奶匦?，?shí)現(xiàn)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)低供給壓力下的點(diǎn)火。北京航空航天大學(xué)郭紅杰等人2004—2006年搭建了氫氣/氧氣爆震波點(diǎn)火試驗(yàn)系統(tǒng)，氫氣/氧氣供給壓力為0.1～0.5 MPa，混合比為1.6～9.4，在常溫條件下得到了爆震波在管路中的傳播特性以及爆震波點(diǎn)火的單管重復(fù)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果顯示爆震波點(diǎn)火可在較低的供氣壓力下獲得高溫高壓的燃燒產(chǎn)物[9-11]。

縱觀國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有研究成果，面向飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震波點(diǎn)火器研究還非常有限。美國(guó)NASA在1996—2001年期間組織的X—33飛行器項(xiàng)目采用了塞式發(fā)動(dòng)機(jī)[12-13]，該塞式發(fā)動(dòng)機(jī)中采用了液氧/液甲烷點(diǎn)火劑的爆震波點(diǎn)火方案，全尺寸樣機(jī)地面低溫點(diǎn)火試驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性。

現(xiàn)階段針對(duì)液氧/甲烷火箭發(fā)動(dòng)機(jī)爆震波點(diǎn)火技術(shù)的研究較少，對(duì)甲烷/氧氣緩燃轉(zhuǎn)爆震過(guò)程的認(rèn)識(shí)也不夠清楚，但國(guó)內(nèi)外在氫氣/空氣爆震、甲烷/空氣爆震、碳?xì)淙剂?空氣爆震等方面開(kāi)展了較為廣泛的研究。在爆震理論研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們對(duì)爆震波的形成給出了不同定性解釋?zhuān)簾狳c(diǎn)理論、梯度理論和相干能量釋放的激波放大理論[14-15]。為了適應(yīng)空間布局的局限性，爆震波在彎管內(nèi)的傳播特性也受到了研究人員的關(guān)注。研究者們使用壓力測(cè)量、煙跡和紋影等方法觀察到爆震波在彎管壁面凹側(cè)強(qiáng)度增大，在凸側(cè)由于發(fā)散作用產(chǎn)生了膨脹波使得強(qiáng)度降低甚至發(fā)生局部淬熄，由于波陣面上橫波的作用，爆震波局部淬熄后又得以重新起爆。彎管的曲率半徑及管中初始?jí)毫κ怯绊懕鸩ㄍㄟ^(guò)彎管時(shí)鋒面壓力、傳播速度的重要因素，曲率半徑越大，初始?jí)毫υ礁邉t爆震波越容易通過(guò)彎管而不熄滅[16-19]。

從國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知，國(guó)內(nèi)外對(duì)液氧/甲烷火箭發(fā)動(dòng)機(jī)爆震波點(diǎn)火過(guò)程的研究較少，制約了爆震波點(diǎn)火技術(shù)在液氧/甲烷火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用。雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)爆震的研究成果較多，但其研究更多采用的是氫氣/空氣、氫氣/氧氣、甲烷/空氣等介質(zhì)，采用甲烷/氧氣的相對(duì)較少，對(duì)甲烷/氧氣燃燒轉(zhuǎn)爆震過(guò)程的認(rèn)識(shí)較為缺乏。因此，有必要開(kāi)展甲烷/氧氣爆震波點(diǎn)火技術(shù)的研究以推進(jìn)其在液氧/甲烷火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用?？紤]到工程應(yīng)用中對(duì)點(diǎn)火器低壓供給、小包絡(luò)的要求，本文以試驗(yàn)的形式，對(duì)低供給壓力下的爆震現(xiàn)象及DDT增強(qiáng)裝置和彎管這兩種可能的縮減爆震波點(diǎn)火器包絡(luò)尺寸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。

1 低供給壓力下甲烷/氧氣爆震波形成過(guò)程研究

形成足夠強(qiáng)度的甲烷/氧氣爆震波是實(shí)現(xiàn)爆震波點(diǎn)火技術(shù)的首要條件。液氧/甲烷火箭發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際應(yīng)用中，推進(jìn)劑貯箱提供的壓力相對(duì)較低，低壓條件下甲烷/氧氣爆震波形成過(guò)程及其影響因素作用規(guī)律尚不十分清楚，本節(jié)結(jié)合液氧/甲烷火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的實(shí)際情況，對(duì)爆震波形成過(guò)程中填充壓力、混合比等因素的作用進(jìn)行考察。

1.1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用爆震管裝置如圖1所示，分為頭部、DDT段和加長(zhǎng)段3個(gè)部分。其中甲烷及氧氣由頭部接入，通過(guò)同軸剪切噴嘴實(shí)現(xiàn)摻混，并由火花塞點(diǎn)燃，火焰在DDT段中完成緩燃轉(zhuǎn)爆震的過(guò)程。DDT段的圓管內(nèi)部加裝彈簧，起促進(jìn)DDT過(guò)程的作用[20]。DDT段后接加長(zhǎng)段，用于測(cè)量爆震波通過(guò)時(shí)的壓力數(shù)值。整個(gè)管道內(nèi)徑為10 mm，尾端未設(shè)置喉部。

圖1 爆震管示意圖Fig.1 Schematic of detonation tube

試驗(yàn)中，利用氣源儲(chǔ)箱對(duì)爆震管進(jìn)行氣體供應(yīng)，每一路所用孔板固定不變，通過(guò)調(diào)節(jié)供氣壓力來(lái)調(diào)節(jié)流量。CH4路供氣壓力在0.58～0.86 MPa范圍內(nèi)，O2路為0.27～2.74 MPa。先后對(duì)4種供氣時(shí)序進(jìn)行了測(cè)試，每種時(shí)序詳情如表1所示，每種時(shí)序均可實(shí)現(xiàn)爆震管的滿(mǎn)填充。

表1 點(diǎn)火時(shí)序

爆震波波速是試驗(yàn)中獲取的重要數(shù)據(jù)，其計(jì)算方法為兩脈動(dòng)壓力傳感器座間的距離除以爆震波傳播通過(guò)兩個(gè)傳感器測(cè)點(diǎn)所需的時(shí)間，即

(1)

1.2 甲烷/氧氣爆震波形成過(guò)程

試驗(yàn)測(cè)試了不同點(diǎn)火時(shí)序(表1)下當(dāng)量比在0.47至7.05范圍內(nèi)的一系列工況。記安裝在加長(zhǎng)段上游的脈動(dòng)壓力傳感器為1#，下游為2#，則測(cè)得的典型脈動(dòng)壓力曲線如圖2所示，該圖顯示了氧氣孔板前壓力0.86 MPa、甲烷孔板前壓力0.59 MPa、當(dāng)量比為1.54時(shí)加長(zhǎng)段中測(cè)得的壓力曲線。當(dāng)爆震波經(jīng)過(guò)壓力測(cè)點(diǎn)時(shí)，壓力曲線出現(xiàn)一個(gè)陡峭的峰值，1#測(cè)點(diǎn)測(cè)得的峰值壓力為2.202 MPa，2#測(cè)點(diǎn)測(cè)得峰值壓力為2.428 MPa。隨后曲線緩緩下降，此階段壓力變化符合Taylor波的變化規(guī)律。當(dāng)爆震波從下游管口傳出后，膨脹波開(kāi)始向上游反傳，測(cè)點(diǎn)壓力值不斷降低，直至環(huán)境壓力。記錄1#和2#脈動(dòng)壓力傳感器捕捉到爆震波峰值壓力的時(shí)刻，即可由式(1)計(jì)算得到爆震波在加長(zhǎng)段中的傳播速度。計(jì)算得到爆震波傳播速度為2 625.0 m/s，與CEA計(jì)算得到的CJ速度2 591.1 m/s相比略高，這一差別可認(rèn)為由測(cè)量誤差造成。

圖2 壓力—時(shí)間曲線Fig.2 Pressure-time traces

1.3 當(dāng)量比對(duì)爆震波特性的影響

通過(guò)上述測(cè)量方法，試驗(yàn)共獲得38個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，各工況下的爆震波速度如圖3所示，圖中黑實(shí)線和虛線分別表示由CEA計(jì)算得到的CJ爆震速度和燃?xì)庵械穆曀?。從中可以看出按照?dāng)量比的大小不同，其對(duì)爆震波形成及爆震波參數(shù)的影響可分為4個(gè)區(qū)域。

圖3 不同點(diǎn)火時(shí)序下測(cè)得的壓力波傳播速度Fig.3 Pressure wave velocities under different ignition sequences

1)當(dāng)量比較小(<0.75)時(shí)，管中點(diǎn)火成功率不高。

2)當(dāng)量比在0.75～1.12范圍時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊玫揭欢ǖ奶嵘?，但未加速至產(chǎn)生爆震波的情況?；鹧姹患铀僦良s70%～100%燃?xì)饴曀佟?/p>

3)當(dāng)量比在1.4～3.4范圍內(nèi)時(shí)，試驗(yàn)測(cè)得的爆震波速度與CJ速度相當(dāng)。然而并非該當(dāng)量比范圍內(nèi)的所有工況均能形成爆震，分析認(rèn)為能否形成爆震與多種因素相關(guān)，如管中的湍流強(qiáng)度等，僅有適合的當(dāng)量比不足以保證爆震的形成。

4)當(dāng)量比上升至4.2后，出現(xiàn)起爆困難。

1.4 時(shí)序?qū)Ρ鸩ㄐ纬傻挠绊?/h3>

試驗(yàn)中涉及到的4種時(shí)序皆為氧氣和甲烷氣同時(shí)開(kāi)啟同時(shí)關(guān)閉，時(shí)序2中在氧氣、甲烷供氣停止后間隔1s再使火花塞放電，在時(shí)序1、3、4中均為供氣停止后火花塞立即放電，區(qū)別在于填充時(shí)間長(zhǎng)度不同。

圖3中展示了不同時(shí)序下的點(diǎn)火情況，從圖中可見(jiàn)，包含了1 s間隔的時(shí)序2無(wú)法點(diǎn)燃管中氣體，原因在于在停止供氣的1 s內(nèi)，可燃?xì)怏w向管道下游流動(dòng)，爆震管頭部沒(méi)有氣體補(bǔ)充，使得頭部可燃?xì)鈮毫^(guò)低，混氣濃度低，難以點(diǎn)燃。采用時(shí)序4時(shí)未形成爆震可能由于工況安排較少及試驗(yàn)中的誤差造成，為進(jìn)一步探明原因需增加試驗(yàn)次數(shù)，并綜合考慮分析管中的湍流狀態(tài)。

2 甲烷/氧氣短距起爆研究

小型化是爆震波點(diǎn)火器工程化過(guò)程中所必須解決的一環(huán)。通常會(huì)在爆震管中加入各種形式的障礙物，如Shchelkin螺旋、孔板、斜劈等[22-26]來(lái)達(dá)到加速爆震波形成，縮短DDT距離，實(shí)現(xiàn)短距起爆的目的。本節(jié)使用彈簧在爆震管內(nèi)設(shè)置Shchelkin螺旋，通過(guò)試驗(yàn)，研究了不同幾何參數(shù)的Shchelkin螺旋對(duì)甲烷/氧氣DDT過(guò)程的影響，分析了DDT增強(qiáng)措施對(duì)甲烷/氧氣爆震波形成過(guò)程的影響規(guī)律。

2.1 短距起爆試驗(yàn)裝置

本節(jié)研究使用的試驗(yàn)裝置為在第1.1節(jié)中使用裝置的基礎(chǔ)上，在其DDT段中替換不同尺寸的彈簧，即變化Shchelkin螺旋的幾何尺寸得到。涉及彈簧的規(guī)格如表2所示。

表2彈簧規(guī)格

試驗(yàn)中向搭載不同阻塞比彈簧的爆震管及不搭載彈簧的光管通入不同當(dāng)量比的甲烷/氧氣氣體并使用火花塞點(diǎn)火，通過(guò)加長(zhǎng)段上的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)得管中氣體的壓力及燃燒波傳播速度。

2.2 結(jié)果與分析

試驗(yàn)中測(cè)得的壓力波形可分為如下3類(lèi)，如圖4所示。

圖4(a)所示情形加長(zhǎng)段2個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)測(cè)得的峰值壓力超過(guò)70% CJ速度，且計(jì)算得到的壓力波傳播速度與CJ速度相近，可認(rèn)為此時(shí)管中產(chǎn)生了爆震波；圖4(b)中2個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)獲得的峰值壓力較低，約為CJ壓力的20%～40%，該種現(xiàn)象稱(chēng)為快速火焰(fast flame)[27]，是一種火焰?zhèn)鞑ニ俣缺惶嵘?，但無(wú)法發(fā)展成爆震的情況；圖4(c)中，1#壓力測(cè)點(diǎn)獲得的壓力數(shù)值始終較為平穩(wěn)，2#壓力測(cè)點(diǎn)在火花塞放電后的一段時(shí)間后出現(xiàn)一次小范圍波動(dòng)，認(rèn)為是火花塞放電脈沖造成，分析認(rèn)為該種波形對(duì)應(yīng)的管中現(xiàn)象可以有3種：未點(diǎn)燃、慢速火焰(slow flame)或發(fā)生全局淬熄。慢速火焰即管中氣體點(diǎn)燃后始終保持較弱的緩燃狀態(tài)，燃燒波傳播速度慢，火焰面前后壓差小。全局淬熄指管中氣體在點(diǎn)燃后，在與障礙物的作用中發(fā)生了全面熄滅。

圖4 3類(lèi)壓力波形Fig.4 Three types of pressure wave form

對(duì)搭載不同阻塞比彈簧的爆震管通入不同當(dāng)量比的甲烷/氧氣氣體后點(diǎn)火，分析加長(zhǎng)段中兩個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)獲得的壓力數(shù)據(jù)，依照上述方法對(duì)管中發(fā)生的燃燒現(xiàn)象進(jìn)行判斷和分類(lèi)，獲得圖5。

圖5 不同障礙物阻塞比(BR)及混氣當(dāng)量比下的燃燒狀態(tài)Fig.5 Combustion modes under different block ratios (BR) and equivalence ratios

為了表述方便，下文中將未點(diǎn)燃、慢速火焰及全局淬熄3種情況統(tǒng)稱(chēng)為“情況三”，分析圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)可發(fā)現(xiàn)以下特征：

1)阻塞比在試驗(yàn)涉及的0.12～0.42范圍內(nèi)時(shí)，無(wú)論阻塞比的大小，當(dāng)量比在1.5左右時(shí)管中均能產(chǎn)生爆震。由CEA計(jì)算知，該工況下CJ速度的峰值出現(xiàn)在當(dāng)量比約為1.8時(shí)，可認(rèn)為當(dāng)混氣當(dāng)量比處于爆震波釋放能量最大時(shí)，DDT發(fā)生的可能性最大，此時(shí)阻塞比的大小對(duì)是否形成爆震影響較小。

2003年，全市入河污染物排放總量達(dá)5.06萬(wàn)t/a，在3個(gè)水系中冀東沿海水系排放量居首為3.24萬(wàn)t/a，占比64.1%；北三河水系占比23.6%，灤河水系占比12.3%。在3種污染物中COD排放總量為4.73萬(wàn)t/a，占比93.6%；氨氮占比6.32%，揮發(fā)酚占比0.1%?？梢?jiàn)，全市在2003年污染物排放總量控制試點(diǎn)前，入河污染物排放量較大，以COD占比最多，且排污行為多發(fā)生在冀東沿海水系各河流內(nèi)。

2)阻塞比從0.12向0.42增大的過(guò)程中，能產(chǎn)生爆震的當(dāng)量比范圍逐漸擴(kuò)大。

3)當(dāng)阻塞比較小(阻塞比小于0.3)時(shí)，快速火焰和“情況三”之間的界限不明顯，即在當(dāng)量比偏離化學(xué)恰當(dāng)比較多時(shí)，快速火焰和“情況三”均有發(fā)生的可能。

當(dāng)量比決定了可燃混氣的釋熱能力，混氣的釋熱能力決定了火花塞放電后管中會(huì)出現(xiàn)何種燃燒現(xiàn)象，釋熱能力越強(qiáng)則發(fā)生DDT過(guò)程的可能性越大，當(dāng)釋熱能力過(guò)小時(shí)，在障礙物的影響下，則有熄滅的可能。障礙物對(duì)火焰的作用包含了促進(jìn)和抑制兩個(gè)方面，選取合適的阻塞比及當(dāng)量比將更有益于爆震的形成。本節(jié)中得到的結(jié)論主要著眼于阻塞比與當(dāng)量比共同作用于燃燒波時(shí)其間的關(guān)系，試驗(yàn)中使用了不透明的不銹鋼管故不便于測(cè)得DDT距離，進(jìn)一步的研究擬采用光學(xué)管并獲得障礙物在縮短DDT距離，即縮短爆震波點(diǎn)火器長(zhǎng)度方面的影響效果。

3 爆震管構(gòu)型對(duì)甲烷/氧氣爆震波參數(shù)的影響

點(diǎn)火器產(chǎn)生的熱燃?xì)獍芰吭蕉鄤t點(diǎn)火能力越強(qiáng)，為能產(chǎn)生更多的熱燃?xì)鈩t需要在爆震管中積累更多的可燃混氣，這就使得爆震管的長(zhǎng)度不能一味縮短。采用直管形式，相對(duì)而言整體尺寸較大，會(huì)限制爆震波點(diǎn)火器的使用范圍。使用帶有彎曲結(jié)構(gòu)的異型爆震管不僅能使點(diǎn)火器在總裝布局時(shí)的適應(yīng)性，還有可能增強(qiáng)DDT過(guò)程。本節(jié)中通過(guò)試驗(yàn)，研究了不同曲率下甲烷/氧氣爆震波的形成和發(fā)展過(guò)程，分析爆震管構(gòu)型對(duì)甲烷/氧氣爆震波參數(shù)的影響規(guī)律，為發(fā)展異型爆震波點(diǎn)火器形成相應(yīng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

3.1 U型爆震管

試驗(yàn)所用裝置如圖6所示。試驗(yàn)裝置分為頭部、彎管、加長(zhǎng)段3個(gè)部分，3部分之間由法蘭相連。其中頭部與1.1節(jié)中介紹的相同，加長(zhǎng)段由1.1節(jié)中的DDT段去掉彈簧充當(dāng)。整個(gè)管道內(nèi)徑為10 mm。彎管段由一組不同彎曲半徑的彎管替換件組成，在試驗(yàn)中可變換彎管曲率半徑，彎管內(nèi)側(cè)彎曲半徑R(圖6所示)分別為40、70、90 mm，彎管截面外徑為14 mm，即彎管軸線半徑為47、77 mm、97 mm。在彎管的兩端設(shè)置有兩個(gè)脈動(dòng)壓力傳感器安裝座(1#、2#)。對(duì)于每種軸線半徑的彎管，共制作2根，其中一根管中置入彈簧，另一根管內(nèi)光滑。置入彈簧規(guī)格與1.1節(jié)中相同，為絲徑2.1 mm、外徑10 mm、節(jié)距8 mm。加長(zhǎng)段用于測(cè)量彎管下游爆震波峰值壓力及波速，加長(zhǎng)段尾部為3#壓力傳感器安裝座。2#與3#間的距離固定不變?yōu)?36 mm。

圖6 彎管幾何尺寸Fig.6 Schematic of U shape tube

3.2 幾種典型現(xiàn)象

考察試驗(yàn)中在3個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的壓力曲線，發(fā)現(xiàn)所得曲線可歸為以下幾種典型形式，如圖7所示。

圖7 壓力波形Fig.7 Pressure wave forms

3.2.1 衰減

圖7(a)、(b)、(c)中情況，點(diǎn)火后，燃燒波在管中傳播時(shí)壓力不斷降低，然而壓力下降的過(guò)程有所區(qū)別。在圖7(a)對(duì)應(yīng)的工況中，1#壓力測(cè)點(diǎn)處測(cè)得的峰值壓力高達(dá)2.2 MPa，傳播314 mm到達(dá)2#測(cè)點(diǎn)時(shí)峰值壓力為1.19 MPa，再傳播236 mm到達(dá)3#測(cè)點(diǎn)時(shí)峰值壓力為0.43 MPa。1#、2#測(cè)點(diǎn)間的平均傳播速度為1 048.6 m/s，2#、3#測(cè)點(diǎn)間的平均傳播速度為874.1 m/s。燃燒波壓力在整個(gè)傳播過(guò)程中壓力的衰減速率較為穩(wěn)定，在彎管中壓力衰減至進(jìn)入彎管時(shí)的一半。在該工況中97 mm彎曲半徑的彎管及管中的彈簧對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊脑黾颖憩F(xiàn)出抑制作用，且火焰在通過(guò)彎管段后，壓力和傳播速度均持續(xù)下降。

在圖7(b)對(duì)應(yīng)的工況中，1#和2#測(cè)點(diǎn)測(cè)得的峰值壓力均較高，1#處測(cè)得峰值壓力2.1 MPa，2#處測(cè)得的峰值壓力為2.0 MPa，即鋒面壓力可在彎管中維持。1#、2#測(cè)點(diǎn)間平均火焰?zhèn)鞑ニ俣葹? 212.2 m/s?；鹧娣逯祲毫咏麮J壓力(2.47 MPa)，但速度與CJ速度(2 428 m/s)相差較大，可認(rèn)為此時(shí)火焰在彎管中處于一種接近爆震的準(zhǔn)爆震狀態(tài)，在該供氣條件下，47 mm彎曲半徑彈簧彎管對(duì)火焰有一定的加速作用，但還不足以促使DDT過(guò)程完成。火焰在傳出彎管，進(jìn)入直管加長(zhǎng)段后，壓力快速衰減至0.5 MPa，加長(zhǎng)段中的平均傳播速度為907.7 m/s，這一結(jié)果與2.2節(jié)中結(jié)果一致，即當(dāng)φ=2.88時(shí)，內(nèi)徑10 mm的光滑直管對(duì)火焰的加速作用非常有限，較難出現(xiàn)DDT現(xiàn)象。

在圖7(c)對(duì)應(yīng)的工況中，1#測(cè)點(diǎn)測(cè)得的壓力較高，為2.0 MPa，然而在彎管中迅速衰減至接近大氣壓，當(dāng)火焰?zhèn)鞑ブ?#時(shí)，壓力僅為0.22 MPa?；鹧?zhèn)髦?#時(shí)，壓力進(jìn)一步衰減至0.18 MPa。1#、2#測(cè)點(diǎn)間的平均傳播速度為983.1 m/s，2#、3#測(cè)點(diǎn)間的平均傳播速度為513.0 m/s，火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸掷m(xù)降低。對(duì)比圖9與圖7，圖9中燃燒波波后壓力的衰減速率遠(yuǎn)快于圖7，鑒于兩工況中彎管為相同的97 mm彎曲半徑彈簧彎管，可認(rèn)為造成這一區(qū)別的原因僅在于當(dāng)量比的不同，當(dāng)量比過(guò)高導(dǎo)致管中混氣釋熱能力不足，彎管段造成的能量耗散影響變得更為顯著。

3.2.2 形成爆震

圖7(d)、(e)對(duì)應(yīng)的工況中爆震管中均形成了爆震波。在圖7(d)對(duì)應(yīng)的工況中，火焰在從1#到2#再到3#測(cè)點(diǎn)傳播的過(guò)程中壓力不斷上升，傳播速度越來(lái)越快。1#、2#、3#測(cè)點(diǎn)測(cè)得的峰值壓力分別為1.02 MPa、1.78 MPa、2.22 MPa，1#與2#測(cè)點(diǎn)間的平均傳播速度為1 429.9 m/s，2#與3#測(cè)點(diǎn)間的平均傳播速度為2 145.46 m/s，可認(rèn)為在3#處已經(jīng)形成了爆震波。

在圖7(e)對(duì)應(yīng)的工況中，1#、2#、3#測(cè)點(diǎn)測(cè)得的峰值壓力分別為1.95 MPa、1.44 MPa、2.45 MPa，1#與2#測(cè)點(diǎn)間的平均傳播速度為1 258.9 m/s，2#與3#測(cè)點(diǎn)間的平均傳播速度為1 966.7 m/s。圖7(d)與圖7(e)的不同之處在于從1#到2#，圖7(d)中火焰壓力上升，圖7(e)中火焰壓力下降，但在這兩種情況下最終均能形成爆震波。

對(duì)比“火焰衰減”和“形成爆震”兩種管中火焰發(fā)展的形式，可發(fā)現(xiàn)在發(fā)生火焰衰減的工況中，1#測(cè)點(diǎn)測(cè)得的峰值壓力均較高，在最終能形成爆震的工況中，1#測(cè)點(diǎn)測(cè)得的峰值壓力有高有低。分析認(rèn)為彎管及管中彈簧障礙物對(duì)火焰的作用隨火焰壓力高低、傳播速度的快慢而有所不同：對(duì)于壓力高、速度快，接近于爆震波的火焰表現(xiàn)為抑制作用；對(duì)于壓力低、傳播速度慢的普通緩燃火焰，則能起到增強(qiáng)燃燒，促使DDT過(guò)程發(fā)生的作用。

3.3 彎曲半徑對(duì)燃燒現(xiàn)象的影響

圖8展示了裝有彈簧的不同軸線半徑的彎管中火焰?zhèn)鞑ガF(xiàn)象與當(dāng)量比的關(guān)系?？傮w而言，當(dāng)量比在1～2范圍內(nèi)時(shí)，可通過(guò)裝有彈簧的彎管形成爆震波，使爆震波點(diǎn)火器的包絡(luò)尺寸在長(zhǎng)度方向大大縮減。如將1.1節(jié)中230 mm的DDT段換為R=77 mm的彎管，則長(zhǎng)度減小了153 mm。隨著當(dāng)量比的增加，DDT過(guò)程逐漸變得困難，彎管對(duì)火焰的發(fā)展顯現(xiàn)出抑制作用。對(duì)比不同軸線彎曲半徑的彎管，半徑較大時(shí)(R=97 mm)，在高當(dāng)量比區(qū)域彎管對(duì)火焰發(fā)展的抑制作用十分強(qiáng)烈，這是由于大半徑彎管的彎管段長(zhǎng)度較大，火焰在彎管中傳播的距離更長(zhǎng)。

圖8 不同彎曲半徑及當(dāng)量比下的燃燒狀態(tài)(障礙物管)Fig.8 Combustion status under different bending radius and equivalence ratios

3.4 彎管中DDT增強(qiáng)裝置的作用

圖9就相同彎曲半徑下置入彈簧與否進(jìn)行了對(duì)比。在兩個(gè)97 mm彎管的對(duì)比中可以發(fā)現(xiàn)，比起置入彈簧，在高當(dāng)量比范圍時(shí)光滑管對(duì)火焰的抑制作用較弱。對(duì)于彎管形式的爆震管，障礙物形式的爆震增強(qiáng)裝置易于表現(xiàn)出其抑制火焰?zhèn)鞑シ矫娴淖饔?，?yīng)根據(jù)混氣當(dāng)量比，更為謹(jǐn)慎的選用障礙物形式的爆震增強(qiáng)裝置。

圖9 有無(wú)DDT增強(qiáng)裝置下的燃燒狀態(tài)Fig.9 Combustion status with or without DDT enhancement device

4 結(jié)論

1)按照當(dāng)量比的大小不同，其對(duì)爆震波形成及爆震波參數(shù)的影響結(jié)果可分為4個(gè)區(qū)域，依次為點(diǎn)火困難、緩燃、爆震、起爆困難，其中緩燃又可細(xì)分為快速火焰和慢速火焰兩種狀態(tài)，點(diǎn)火困難可分為全局淬熄和未點(diǎn)火兩種狀態(tài)。

2)甲烷/氧氣混氣當(dāng)量比在1.5附近，即混氣釋熱能力最強(qiáng)時(shí)，在障礙物的作用下，DDT發(fā)生的可能性最大，此時(shí)阻塞比在0.12～0.42的范圍內(nèi)時(shí)，阻塞比的大小對(duì)是否能形成爆震影響不大。即設(shè)計(jì)爆震波點(diǎn)火器時(shí)，若取混合比在1.5附近時(shí)，可根據(jù)對(duì)管路流阻的設(shè)計(jì)要求在較寬的范圍內(nèi)選擇阻塞比。當(dāng)阻塞比較小(阻塞比小于0.3)時(shí)，快速火焰和“未點(diǎn)燃、慢速火焰、全局淬熄”之間的界限不明顯。

3)對(duì)于壓力高、速度快，近似于爆震波的火焰，彎管及管中障礙物表現(xiàn)為抑制作用；對(duì)于壓力低、傳播速度慢的普通緩燃火焰，則能增強(qiáng)燃燒，促使DDT過(guò)程發(fā)生；當(dāng)量比在1～2范圍內(nèi)時(shí)，可通過(guò)裝有彈簧的彎管形成爆震波，隨著當(dāng)量比的增加，DDT過(guò)程逐漸變得困難，彎管對(duì)火焰的發(fā)展顯現(xiàn)出抑制作用。在設(shè)計(jì)爆震波點(diǎn)火器時(shí)應(yīng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)總裝布局合理使用彎管結(jié)構(gòu)。