喷嘴位置对脉冲爆轰发动机性能影响的试验研究

蒋 弢，翁春生

( 南京理工大学 瞬态物理国家重点实验室，南京 210094)

0 引 言

脉冲爆轰发动机( Pulse Detonation Engine，简称PDE)是一种利用脉冲式爆轰波产生高温高压燃气来获得推力的新型推进系统。与传统发动机相比，它结构简单，推重比大，热循环效率高，具有广泛的应用前景。

目前国内外做了大量试验来研究多种因素对脉冲爆轰发动机爆燃转爆轰过程的影响，其中液体燃料高速喷射、雾化和两相混合是其中重要的影响因素。DEAN［1］和Dnih［2］等人的研究得出了雾化混合结果的好坏对PDE 爆燃转爆轰过程有重要影响的结论。Varathalrajan［3］等人研究了加快来流速度对PDE 内液态燃油雾化的影响。Brophy［4］等人通过采用预爆轰管来快速、稳定地起爆PDE 主爆轰管内的燃料/空气混合物。Schauer［5］等人应用闪蒸系统( FvS) 来提高无预爆管和非富氧的条件下PDE 内液态燃油的雾化。范育新［6-7］等人研究了壁面温度和爆轰管的形状对PDE 性能的影响。王治武［8-10］等人利用CFD 程序分别对切向、轴向和径向进气方式的PDE 混合室中油、气的混合特性进行了三维数值模拟，设计了4 种混合室结构并进行了热态试验研究，找到了利于点火、起爆迅速的混合室结构，并且研究了爆轰管长度和横向射流对DDT 过程的影响。翁春生［11-15］等人通过提高进气压力和供气含氧量，改变供气方式来改善爆轰管内的燃油的雾化蒸发混合状况，进而来提高PDE 的工作频率、推力和爆轰波峰值压力。

国内外学者对气液两相脉冲爆轰发动机内燃油雾化和两相混合做了不少的研究，但是未见文氏管以及喷嘴和文氏管的相互作用对脉冲爆轰发动机内燃油喷射、雾化混合过程和点火起爆过程的研究。作者建立了一套以液态汽油为燃料的两相脉冲爆轰发动机试验系统，通过改变文氏管内喷嘴的位置来研究脉冲爆轰发动机内的雾化混合过程和爆燃转爆轰过程，并分析喷嘴位置对脉冲爆轰发动机性能的影响。

1 试验系统

气液两相脉冲爆轰发动机的主要部件包括发动机本体、供气系统、供油系统、点火控制系统和测试系统等，试验装置如图1 所示。

PDE 由混合室、点火室和爆轰室组成，在爆轰管头部设置3 个夹角为120°的切向进气孔供气，在混合室内内安装文氏管，在文氏管不同位置安装精细雾化离心喷嘴，其喷射出的一次雾化燃油液滴部分直接穿过文氏管喉部，部分喷射在文氏管的光滑表面，形成薄的均匀油膜，在文氏管喉部高速气流作用下二次雾化，充分混合的油气混合物经过文氏管的扩张段，形成雾化良好、混合充分、分布均匀的可爆混合物。在文氏管出口后一段距离处安装火花塞点火器，可在0 ～70Hz 间工作。为了强化爆轰波的形成，需在点火室后安装扰流装置和激波强化装置。

图1 脉冲爆轰发动机试验装置示意图Fig.1 Schematic of the PDE

测试系统主要包括马尔文粒度仪、压力传感器、数据采集系统、冷却水系统及其管路等。文氏管出口的管壁上开测试窗口，马尔文粒度仪安装在此处通过激光的米氏散射来测量汽油液滴的分布。在爆轰管出口沿其轴向设置有压力传感器，标记为P1。压力传感器采用高精度动态压力传感器。由于压力传感器在工作时对温度有一定的要求，当爆轰管的温度超过压力传感器的工作范围时，压力传感器测出的数据将产生漂移。因此，试验中采用了冷却水套对压力传感器进行冷却，通过不断地注入流动的冷却水来保证压力传感器在正常环境下工作。压力传感器捕捉的爆轰波瞬时信号经过信号调理器后，由四通道数据采集卡进行数据采集。

2 试验流程

脉冲爆轰发动机的工作过程包括新鲜燃料与氧化剂的填充、燃料雾化蒸发混合、点火燃烧、爆轰波的形成与传播，以及爆轰波后燃气的排出。试验过程中首先设定供气压力和供油压力，开启电磁阀后，汽油通过喷嘴喷射入发动机管内，与氧化剂空气进行混合，用马尔文粒度仪测量文氏管后液滴分布，然后通过火花塞点火器点燃，在扰流装置和激波强化装置作用下，形成稳定的爆轰波，压力传感器随之采集数据传输到计算机中。将喷嘴安装在以下位置按上述流程多次测量：(1) 安装在文氏管入口处； ( 2) 安装在文氏管喉部；(3) 安装在文氏管扩张段内。

3 试验结果及讨论

3.1 喷嘴位置对液滴分布的影响

试验研究了头部三管切向旋转进气的工况下，喷嘴安装在文氏管不同位置时文氏管出口后点火头区前液滴的雾化混合状况。

图2 和3 分别为文氏管出口的液滴尺寸概率分布曲线和累积分布曲线。研究脉冲爆轰发动机内喷射雾化时，简单分析常采用索泰尔平均半径，深入分析还要采用液滴分布曲线。

从图2、3 和表1 可以看出：喷嘴安装在文氏管喉部时，喷嘴喷射出的汽油液滴经过一次雾化后，部分直接穿过文氏管喉部在文氏管喉部高速气流作用下二次雾化，部分喷射在文氏管的光滑表面形成薄的均匀油膜，在切向气流作用下二次雾化，充分混合的油气混合物经过文氏管的扩张段，形成雾化良好、混合充分、分布均匀的可爆混合物，测得的索泰尔平均半径为76. 9μm，在3 种实验条件里最小，半径小于120μm的液滴占总体积的91%，在尺寸分布上明显向小颗粒方向偏移，说明雾化效果最好。

图2 液滴尺寸概率分布曲线Fig.2 Curves of the droplet size probability distribution

图3 液滴尺寸累积分布曲线Fig.3 Curves of the droplet size cumulative distribution

表1 不同位置的喷嘴对雾化混合的影响Table1 Performances of the atomization and mixing with different nozzle positions

而喷嘴安装在文氏管扩张段时，由于燃油液滴二次雾化所需的气流速度已远小于文氏管喉部，一部分喷射在文氏管的光滑表面，另一部分喷射在PDE 的管壁上，形成薄的油膜，在切向旋转气流作用下二次雾化质量比在喉部时差，而且安装在扩张段的喷嘴距点火区最近，气液两相的混合时间和距离较短，液滴的相对尺寸范围和发散边界最大，混合效果不佳，测得的索泰尔平均半径为85.4μm，半径小于150μm 的液滴占总体积的90%，雾化效果比安装在文氏管喉部时稍差。

喷嘴安装在文氏管入口时雾化效果最差，索泰尔平均半径为93.4μm，虽然半径小于130μm 的液滴占总体积的92%，但是在尺寸分布上不均匀，呈现明显的双峰分布，而且双峰都窄而高，大尺寸液滴集中在60 ～155μm，小尺寸液滴集中在18 ～36μm。这是由于燃油液滴绝大部分直接喷射在文氏管收敛段的表面，形成厚的油膜，不利于二次雾化，而且燃料液滴和油膜之间的作用力较大，很容易飞溅出不少半径较小的液滴，形成了双峰分布。虽然在文氏管入口的喷嘴离点火区最远，有充足的混合距离和时间，液滴的相对尺寸范围和发散边界最小，混合效果最好，但是这不能改变雾化质量不佳的先天不足。

综合考虑二次雾化、混合距离和时间等各种因素，安装在文氏管喉部的喷嘴在文氏管出口的雾化混合效果最好，安装在文氏管入口处的喷嘴在文氏管出口的雾化混合效果最差。

3.2 喷嘴位置对PDE 工作频率和爆轰波压力的影响

本节的热态试验条件和3.1 节的冷态试验条件完全一致。本试验先对不同工况下10Hz 的爆轰波压力曲线进行研究。

图4 在不同位置安装喷嘴，频率10Hz 的压力-时间曲线Fig.4 Pressure profiles of 10Hz at different nozzle positions

表2 不同位置的喷嘴对爆轰波速度的影响Table 2 Velocities of the detonation wave with different nozzle positions

图4 为在3 种不同位置安装喷嘴时，PDE 出口测得的压力-时间曲线。表2 为不同工况下PDE 内爆轰波速度。判定爆轰波是否形成的关键依据之一就是爆轰波的峰值压力。根据本试验工况计算得出的爆轰波理论压力峰值为4MPa，传播速度在1800m/s。从图 4 和表 2 可以看出，喷嘴安装在文氏管喉部时，发动机工作很稳定，管内测得的压力峰值在4.7 ～5.0MPa 之间且波阵面很陡，爆轰波传播速度为1252m/s； 喷嘴安装在文氏管扩张段时，管内测得的压力峰值在3.6 ～4.0MPa 之间，比喷嘴安装在文氏管喉部测得的爆轰波压力峰值低大约1.0MPa，爆轰波传播速度为1121m/s；喷嘴安装在文氏管入口时，爆轰波传播速度为954m/s，管内测得的压力峰值在1.1 ～3.0MPa 之间且浮动很大，部分时刻未能起爆，发动机工作时不太稳定。

图5 为在3 种不同位置安装喷嘴时，PDE 按最高频率工作时出口测得的压力-时间曲线。从图5 和表2 可以看出，喷嘴安装在文氏管喉部时，发动机能以30Hz 稳定地工作，管内测得的压力峰值在3.2 ～3.5MPa 之间且波阵面很陡，爆轰波传播速度为1 215m/s，可以认定完全起爆；喷嘴安装在文氏管扩张段时，发动机以20Hz 的频率工作，管内测得的压力峰值在1. 6 ～3. 3MPa 之间，爆轰波传播速度为1145m/s，部分时刻未能完全起爆； 喷嘴安装在文氏管扩张段时，发动机以15Hz 的频率工作，管内测得的压力峰值在0.9 ～2.0MPa 之间，爆轰波传播速度为849m/s，都未能完全起爆。

图5 在不同位置安装喷嘴，最高频率的压力/时间曲线Fig.5 Pressure profiles of the highest frequency at different nozzle positions

结合3.1 节的雾化混合结果可以得知：雾化混合对脉冲爆轰发动机的爆燃转爆轰过程有重要的影响。当喷嘴安装在文氏管喉部时，雾化混合效果最佳，液滴尺寸较小，能较快蒸发，形成均匀的可爆混合物，能较容易地爆燃转爆轰，并且能充分燃烧，释放出更多的能量来提高爆轰波峰值压力；当喷嘴安装在文氏管扩张段时，雾化混合效果稍差，有较多的大尺寸液滴，在爆燃转爆轰过程中蒸发速度较慢，未能完全燃烧，压力峰值偏低；当喷嘴安装在文氏管入口时，雾化混合效果最差，液滴尺寸呈现明显的双峰分布，小尺寸的液滴能快速燃烧，而大尺寸的液滴燃烧较慢，产生的能量不足以维持爆轰的进行，造成了发动机工作不稳定。当PDE 进行高频试验时，雾化混合效果好的可爆混合物更能充分燃烧，更容易爆燃转爆轰。

4 结 论

通过对文氏管内不同位置安装喷嘴的脉冲爆轰发动机的试验研究，结果表明：

(1) 文氏管喉部安装喷嘴的PDE 雾化混合效果最好，扩张段安装喷嘴的雾化混合效果次之，入口处安装喷嘴的雾化混合效果次之；

(2) 文氏管喉部安装喷嘴的PDE 爆轰波峰值压力最大，能在30Hz 的频率下稳定工作；

(3) 在试验范围内，改善雾化混合效果有利于提高PDE 的工作频率。

试验结果为脉冲爆轰发动机的机理研究以及提高其工作频率具有参考价值。

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