频率对两相爆震波起爆特性影响的实验研究

王治武, 张洋, 陈星谷, 郑龙席, 卢杰

(1.西北工业大学 动力与能源学院, 陕西 西安　710072; 2.中航工业 航空动力机械研究所, 湖南 株洲　412002)

频率对两相爆震波起爆特性影响的实验研究

王治武1, 张洋1, 陈星谷2, 郑龙席1, 卢杰1

(1.西北工业大学 动力与能源学院, 陕西 西安710072; 2.中航工业 航空动力机械研究所, 湖南 株洲412002)

摘要：为了掌握爆震频率对两相多循环爆震波起爆特性的影响规律，对采用高能火花塞点火的吸气式脉冲爆震发动机不同爆震频率下的起爆过程进行了试验研究，对比分析了不同频率下的PDE沿程压力分布，讨论了起爆特征参数，如DDT转变距离、着火延迟时间、DDT转变时间和起爆时间等，与爆震频率的变化关系。试验结果显示，随着工作频率增加，爆燃燃烧向爆震燃烧的转变有所加快。工作频率对着火延迟时间和爆震形成时间影响较大，对DDT时间影响很小，随着频率增加，着火延迟时间和爆震形成时间逐渐减小，而DDT时间略有下降。

关键词：脉冲爆震发动机；试验研究；爆震频率；两相多循环爆震波；起爆时间；着火延迟时间

脉冲爆震发动机(pulse detonation engine,PDE) 是一种利用脉冲式爆震波产生推力的新概念发动机[1]，是基于高效爆震燃烧技术的一种非稳态动力推进装置[2]。爆震起爆技术是脉冲爆震发动机实现工程应用的瓶颈和关键技术之一。因而，如何快速、有效起爆稳定、充分发展的脉冲爆震波便成为研究的关键[3]。

PDE的非稳态工作本质决定其工作特点，即产生的推力是不连续、脉动的。因此提高PDE的爆震频率具有非常重要的意义[4]。PDE频率越高，它能产生的推力就越大，推重比也就越高；推力也越连续稳定，PDE就越接近“稳定”状态，造成的振动就越小，对载机的破坏就越小。对于如何提高脉冲爆震发动机的爆震频率这一关键问题，国内外从燃料类型、雾化混合效果、起爆方法等方面做了许多基础研究工作。国外多数采用可爆性较高的气体燃料与空气或氧气混合产生爆震，或采用可爆性较高的气态混合物作为高能点火源，其PDE试验的爆震频率可达100 Hz[5-7]，但对于两相爆震的高频研究却很少。国内黄希桥等[8]通过改善气源、点火结构以及燃油雾化效果的方法，将两相PDE工作频率提高到35 Hz；之后，通过缩短发动机长度的方法，使PDE模型机工作频率达到45 Hz，同时研究了工作频率对稳定工作当量比范围的影响[9]。王育虔等[10]通过选用高速大流量电磁阀、燃油加温等方法，实现了电磁阀式煤油/氧气PDRE 40 Hz稳定工作和推力测量。以上爆震频率研究大都集中于如何提高爆震频率，以及从宏观角度去探讨爆震频率对PDE工作性能的影响，如当量比范围、平均推力等，很少从爆震频率对爆震波起爆特征参数影响的角度进行系统的试验研究。王治武等[11]通过试验研究发现，点火-起爆时间随着PDE模型机工作频率提高而逐渐减小，但是没有细致区分点火延迟时间和DDT时间等特征参数与爆震频率变化关系。为了系统研究爆震频率对两相多循环爆震起爆特征参数的影响，寻找提高爆震频率的方向，本文对采用高能火花塞点火的吸气式PDE不同频率下的起爆过程进行了试验研究，同步测量了PDE的沿程压力分布，分析了不同频率下的压力分布规律，讨论了起爆特征参数，如DDT转变距离、着火延迟时间、DDT转变时间和起爆时间等，与频率的变化关系，研究结果对于PDE的设计以及工程应用具有一定的参考价值。

1实验装置及方法

图1　实验系统示意图

实验系统如图1所示，由PDE、供油系统、供气系统、点火及频率控制系统、数据采集系统等组成。PDE内径60 mm，总长1 547 mm，由进气道、头部、点火室和爆震室组成。采用无阀自适应方式控制油气供给，燃油经气动雾化喷嘴进入点火室。点火及频率控制系统由信号发生器、高能点火器及火花塞组成。点火频率由信号发生器控制，可在1～100 Hz范围内连续可调。高能点火器能量可调，火花塞为普通汽车用火花塞，实验中，点火模块输入能量约为2 J。数据采集系统由压电式压力传感器、电荷放大器及高速采集仪组成。压力传感器用于测量爆震室内的沿程压力分布。压力传感器测量到的信号经电荷放大器放大后由DEWE-3020十六通道数据采集仪采集。实验中使用的采样频率为200 k。

为了减小进气阻力，进气道内设置一个进气锥，如图1所示。来流经进气锥流入发动机头部，经头部外围的环形通道进入点火室。进气段与头部总长为247 mm，进气道入口内径为50 mm。气动雾化喷嘴所需的燃油和空气分别经燃油入口及雾化空气入口进入头部，而后进入气动雾化喷嘴。在点火室壁面上设计有径向突扩的点火座以降低点火区风速。爆震室内焊接有Shchelkin螺旋，以加速爆震转变。压力信号采用江苏联能压电传感器CA-YD-205测量，响应时间为2 μs，自振频率大于200 kHz，测量误差±72.5 mV/MPa。爆震室壁面上的测压位置分布如图1试验系统示意图所示，按从前往后的顺序标记为P1～P7，分别距离点火位置/mm 380、530、680、780、900、990以及1 080 。传感器安装座带有水冷系统，用于冷却传感器，以减小由于温度较高带来的测量误差。

2实验结果及分析

实验中PDE的工作频率10 Hz、15 Hz、20 Hz和25 Hz。在测压位置P1～P7都安装上压力传感器，实时测量爆震室的沿程压力。

为了便于比较分析，首先定义一些爆震过程中的特征时间。以点火位置下游第1个压力传感器P1压力上升至其峰值压力10%的点作为爆震室爆燃的开始点，点火信号触发到主爆震室爆燃开始点之间的时间定义为爆震室着火延迟时间，记为tdel。从爆燃燃烧开始到检测到爆震波的时间差定义为DDT时间，记为tDDT。从点火信号触发到系统监测到爆震波之间的时间定义为起爆时间，记为tdet，即tdet=tdel+tDDT。

图2　10 Hz时1 s内各测点的压力曲线和单次循环放大图

图3　15 Hz时1 s内各测点的压力曲线　　　　　　　图4　20 Hz时1 s内各测点的压力曲线

图5　25 Hz时1 s内各测点的压力曲线和单次循环放大图

图2～图5为采用火花塞点火方式点火，工作频率分别为10 Hz、15 Hz、20 Hz和25 Hz时1 s内各个测点的压力曲线图。先从图2中的10 Hz单个循环放大图中分析爆震波的形成过程。火花塞点火后，其周围的可燃混合物被点燃，形成初始火焰。初始火焰燃烧过程产生压缩波，压缩波向上、下游2个方向传播。从压力变化过程来看，压缩波先传到下游离点火位置最近的P1，引起压力扰动。接着，压缩波依次传播到下游的其他传感器，传播速度越来越快，压力的上升速度也越来越快。在位置P5处最先出现了压力突变，接着其上、下游的压力波形才开始出现振荡，振荡是出现强激波的典型标志。P5的峰值压力为1.2 MPa左右，其上升沿比较陡峭，并且峰值压力比P4的要大0.6 MPa左右，说明在P5位置附近有局部爆炸产生。还可以看出，该强激波向着2个方向传播，位置P5上游位置测到的压力由后向前依次出现振荡，说明存在逆流传播的激波，称之为回传爆震。回传爆震是爆燃向爆震转变形成的爆炸波的一部分，显然可以看出随着回传爆震波向上游传播其强度在下降。顺流方向传播的激波继续加强，压力继续增加，最终到了位置P7出现了极高的峰值压力，将近4 MPa，超过了C-J爆震波压力，上升沿清晰而陡峭，上升沿时间基本在8～14 μs这个范围内，可以判定在该处已经形成了充分发展的爆震波。另外由图2a)可以看出，位置P7的峰值压力都大于3 MPa，因而可以看出，PDE模型机在10 Hz频率下能稳定工作，生成充分发展的多循环爆震波。由图3～图5可知，15 Hz、20 Hz以及25 Hz工作频率下的压力变化与10 Hz时的压力变化过程基本相似，都在位置P5处最先出现压力突变，接着上、下游的压力出现振荡。随着激波向下游传播，其强度继续加强，压力继续增大，最后在位置P7处获得的峰值压力都极高，都大于2 MPa，大于C-J爆震波压力，并且上升沿陡峭，上升沿时间基本也都在8～14 μs这个范围内，因而可以判定各工作频率下在P7位置处都形成了充分发展的爆震波。可以看出，工作频率的增加对爆震波的形成距离基本没有影响；采用火花塞点火时，PDE模型机能在各工作频率下稳定的工作。

仔细观察发现，随着工作频率的增加，压力增加过程存在细微区别。爆燃燃烧向爆震燃烧转变点是爆震波形成的关键。因此，对转变点位置P5的峰值压力进行对比可以看出，工作频率为10 Hz时，P5的峰值压力基本在1.2 MPa左右；工作频率为15 Hz时，P5的峰值压力在1.4 MPa左右，有个别大于2 MPa；工作频率为20 Hz时，P5的峰值压力在1.6 MPa左右，有少部分大于2 MPa；工作频率为25 Hz时，P5的峰值压力在1.8 MPa左右，其中有一半大于2 MPa。工作频率增加，P5处的峰值压力会随之增加，即爆燃燃烧向爆震燃烧的转变会有所加快，其强度也会随之增强，说明工作频率增加时对爆燃燃烧有加速、促进作用，对爆燃向爆震的转变创造更有利的条件。

图6　点火起爆过程的特征时间和工作频率的关系

图6为采用高能火花塞点火时，主爆震室中爆震波起爆过程的特征时间与工作频率的关系图。由图可以看到，随着工作频率增加，爆震形成时间和着火延迟时间以较快的速度减小，而DDT时间也随之减小，但是减小幅值较小。工作频率从10 Hz增加到25 Hz时，爆震形成时间从8.7 ms减小到6.034 ms，减小了30.6%；着火延迟时间从7.245 ms减小到4.796 ms，减小了33.8%；而DDT时间从1.455 ms减小到1.238 ms，减小了14.9%。可见，工作频率对着火延迟时间影响很明显，主要原因是火花点火延迟时间对火花塞周围的局部燃料和空气的当量比比较敏感。当工作频率增加时，空气的填充速度会随之增加，使得燃油更好更快地雾化，油气更好地掺混并在空间的分布更加均匀。另外，工作频率增加时单位时间内主爆震室内燃烧放热量增加，导致发动机的壁面温度增大、点火室中余热增加，这将同样使燃油更好更快地雾化、蒸发以及更好地与空气掺混。因此，工作频率增加，火花塞周围的燃油和空气能很好的掺混，更有利于火花塞的点火以及初始火焰的快速发展。DDT时间随工作频率的增加而下降的原因也与燃油更好地雾化以及油气均匀掺混有关，另外气体流速增加时会增加流场的湍流度，爆震的起爆过程也是很有利的。还可以发现，着火延迟时间占据了爆震形成时间的绝大部分，因此要缩短爆震形成时间，提高爆震频率，首先应从减小着火延迟时间着手进行。

3结论

本文对采用高能火花塞点火的吸气式脉冲爆震发动机不同爆震频率下的起爆过程进行了试验研究，通过对比分析不同频率下的PDE沿程压力分布，讨论了爆震频率对起爆特征参数，如点火延迟时间、DDT转变时间和起爆时间等的影响规律，具体结论如下：

1) 采用高能火花塞点火时PDE样机能在当前工作频率范围内稳定工作。

2) 采用火花塞点火时，先在主爆震室内形成较弱的初始火焰以及较弱的压缩波，压缩波向下游传播过程中速度越来越快，压力越来越大，并在某个位置出现压力突变，产生局部爆震，接着继续不断加强，最后形成爆震波。

3) 随着工作频率增加，爆燃燃烧向爆震燃烧的转变有所加快，其强度也会随着增强，说明工作频率增加时对爆燃燃烧有加速、促进作用。

4) 工作频率对着火延迟时间影响较大，对DDT时间影响很小，随着频率增加，着火延迟时间逐渐减小，而DDT时间略有降低。由于着火延迟时间占据了爆震形成时间的绝大部分，因此随着工作频率增加，爆震时间逐渐减小。

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Experimental Research on Operating Frequency Effect on the

Characteristics of Two-Phase Detonation Initiation

Wang Zhiwu1, Zhang Yang1, Chen Xinggu2, Zheng Longxi1, Lu Jie1

Abstract:In order to grasp the influence of detonation frequency on the initiation characteristics of two-phase multi-cycle detonation, an air-breathing pulse detonation engine mockup with high energy spark plug was designed and the experiments of detonation initiation process at different operating frequencies were carried out. The pressure distributions along the length of PDE mockup at different operating frequencies were contrasted and analyzed. Meanwhile, the relationship between the detonation frequency on the one hand and the initiation characteristic parameters on the other hand was discussed, such as the DDT transition distance, ignition delay time, DDT transition time and detonation initiation time and so on. The experimental results indicated that deflagration to detonation transition increased with increasing operating frequency. The operating frequency had obvious effect on ignition delay time and the detonation initiation time but had a weak effect on DDT time. As the operating frequency increased, the ignition delay time and detonation initiation time decreased linearly, while the DDT time declined slightly.

Key words:Pulse detonation engines, design of experiments, detonation frequency, two-phase multi-cycle detonation, detonation initiation time, ignition delay time

中图分类号：V231.22

文献标志码：A

文章编号:1000-2758(2015)05-0831-06

作者简介：王治武(1981—)，西北工业大学副教授、博士，主要从事燃烧学、流体力学等研究。

收稿日期：2015-04-05基金项目： 国家自然科学基金(51306153、91441201)、国家留学基金、陕西省自然科学基金(2014JM7258)、高等学校博士学科点专项科研基金新教师类资助课题(20116102120027)与中央高校基本科研业务费专项资金(3102015ZY037)资助