分叉管内爆轰波传播特性实验研究

    魏雁昕 李宝星 翁春生

    

    

    

    摘要:为了研究爆轰波在分叉管内的传播特性,对以H2/O2为燃料的分叉式脉冲爆轰发动机进行了实验研究。分别测试了不同工况条件下管内不同采样点爆轰波压力,并对其变化过程进行了深入分析。实验结果表明:爆轰波在分叉管内传播过程中,分叉口下游主管道内爆轰波在经过6倍管径长度的过渡区后恢复稳定,爆轰强度不变。爆轰波绕射进入分叉支管2,并且在管壁发生多次碰撞和反射,形成过驱爆轰,在燃料充分填充的条件下可以恢复稳定爆轰,爆轰强度与主管道内爆轰波强度相同。在分叉支管2内加装扰流片对加快形成爆轰的影响甚小,分叉支管2内燃料填充率是形成稳定爆轰的关键。

    关键词:爆轰波;分叉管;二次点火;进气压力;扰流片

    中图分类号:TJ763;V231.2 文献标识码:A 文章编号:1673-5048(2017)02-0049-06

    0引言

    爆轰波在传播过程中,流通通道突然变化时会发生绕射。爆轰波绕射是爆轰波在管道内传播过程中的常见现象,一直受到众多学者的关注。首先,从爆轰推进技术的应用角度来看,研究爆轰波在分叉支管内的绕射及演变情况有利于实现脉冲爆轰发动機(Pluse Detonation Engine,PDE)串联点火起爆,降低点火能量,缩短起爆时间和距离,提高脉冲爆轰发动机工作频率。其次,研究爆轰波在管道内的绕射现象对于工业安全具有重要意义,明确爆轰波在复杂管路内的传播情况,有利于抑制爆轰的产生,降低工业生产中的风险。

    爆轰波在分叉管路内绕射现象,涉及诱导激波、爆轰波解耦、化学反应区和几何壁面的相互干扰等相关因素。临界管径概念是研究爆轰波在管路内绕射的重要理论依据,即在其他参数确定的条件下,传播管道的管径存在一个临界值,当管径小于临界管径时,爆轰波会发生熄爆现象。TJi Jian-ling等人采用航空煤油为燃料、O2为氧化剂,进行了变截面气液两相PDE实验研究,结果表明:收敛结构可以提高爆轰波压力,大管和小管存在一个最佳管径比,可以保证爆轰波在变截面流通通道内保持稳定传播。Hoke J等人以航空汽油为燃料、N2O为氧化剂,进行了PDE预爆轰点火实验研究,分析了点火过程对发动机推力的影响,结果表明:采用预爆轰点火方式下发动机推力相较于传统点火方式有明显提高。Pintgen F等人通过实验研究,观察到爆轰波在两种不同混合气体中的绕射过程,采用激光诱导荧光成像技术获得了管内不同时刻OH原子团的分布情况,清晰反映了爆轰波在解耦和二次点火过程中的传播情况。Driscoll R等人采用C2H4/O2/N2,预混合气体进行了正交支管预爆轰点火实验研究,分析了支管不同管长和管径对点火过程的影响,保持初始条件不变,改变支管的管径和发动机的工作频率对爆轰波的波速和压力峰值没有影响。Smolinska A等人通过实验和数值模拟,得到爆轰波绕射后的胞格结构,明确地反映了爆轰波的绕射过程。GuoChangming等人对爆轰波在分叉管内传播特征进行了实验和数值研究,对爆轰波衰减、马赫反射和爆轰波二次点火等过程进行了讨论。Hopper D R等人对分叉式PDE进行了实验研究,分析了正交排布和倾斜排布两种分叉管排布方式对爆轰波传播的影响,证明存在最小分叉管管长,有效降低爆轰波的能量损失,提高PDE串联点火效率。王昌建等人以H2/O2/Ar预混气体为燃料,在不同初始压力条件下对爆轰波在矩形截面T型管内传播过程进行了实验研究,结果表明:T型分叉管对稳定传播爆轰波的影响是局部的,在分叉口下游区域(距分叉口4~6倍管径处),爆轰波恢复稳定传播。潘振华。等人利用带化学反应的二维Euler方程,对H2,O2,Ar体积比为2:1:1的混合气体在T型管内流动进行了数值模拟,分析了静止系统和流动系统中爆轰波绕射过程,迎风面和顺风面爆轰波胞格结构存在明显差异。卢秦尉等人利用三阶TVD格式对H2/O2/Ar混合气体爆轰波在分叉管内传播过程进行了二维数值计算,分析了不同组分浓度条件下爆轰波在分叉处熄爆解耦现象,研究了稀释氩气对爆轰波绕射的影响。范玮等人对多分支管PDE进行了实验研究,分析了转折角度对于爆轰波强度的影响,转角越小,爆轰波在分支转弯处压力损失越小,分叉支管内爆轰波压力越高,采用渐变的过渡方式,对于维持爆轰波的强度是有益的。

    本文以H2/O2,为燃料,以PDE为实验平台,在PDE尾部已经形成稳定爆轰位置加装T型分叉支管结构进行实验研究,分析了不同填充条件和扰流片对爆轰波绕射的影响。

    1实验系统

    1.1实验装置

    实验系统主要包括燃料供给系统、点火系统、数据采集系统和PDE主体结构和分叉支管。图1为爆轰波在分叉支管内传播特性研究实验装置示意图。

    实验平台主体是内径30 mm的脉冲爆轰发动机,主体长度1 200 mm,H2和O2,采用对撞喷注方式喷入脉冲爆轰发动机混合室。使用高能等离子体点火,点火位置距离发动机封闭端190 mm,实验中只进行单次点火,针对一个周期内的爆轰波传播情况进行研究。为快速形成稳定传播的爆轰波,在点火头下游70 mm处安装有长度为250 mm的扰流片。点火头下游爆轰管内依次布置了4个PCB动态压力传感器,距离点火位置分别为400mm、500 mm、800 mm和900 mm。在距离点火头700 mm处为一个三通结构,连接一个长度700mm、内径30 mm的分叉支管2。在分叉支管2上距离三通分叉处200 mm和440 mm分别布置了2个PCB动态压力传感器。脉冲爆轰发动机内HJO2填充时间,以及点火时序均由一个自行设计的八通道单片机进行控制,各通道之间的最小时间间隔为5 ms。高频压力采集系统由动态压力传感器、数据传输线、采集卡和滤波器等设备与电脑相连,并采用一个自主开发的采集软件进行控制。高频数据采集系统共有8个通道,采样频率设定为1MS/s。高频压力传感器量程为3 450 kPa,灵敏度为1.45 mV/kPa,分辨率为0.014 kPa,谐振频率大于等于500 kHz,上升时间小于等于1.0μs,低频响应0.01 Hz,非线性小于等于1.0%FS,工作温度范围为-73~+135℃,灵敏度温度系数小于等于0.054%/℃。由于爆轰波温度远高于压力传感器的工作条件,会导致压力传感器测试的数据有大的漂移,为此,在实验中采用冷却水套对传感器进行冷却,通过不断注入的冷却水将温度保持在传感器的工作范围之内。