脉冲爆轰发动机两点点火实验研究

白桥栋，翁春生，许桂阳，杨建鲁，黄孝龙

(南京理工大学 瞬态物理国家重点实验室，南京 210094)



脉冲爆轰发动机两点点火实验研究

白桥栋，翁春生，许桂阳，杨建鲁，黄孝龙

(南京理工大学 瞬态物理国家重点实验室，南京 210094)

为研究两点点火对脉冲爆轰发动机内爆轰波起爆及传播的影响，开展了脉冲爆轰发动机两点点火实验研究。实验结果表明，两点点火能有效促进脉冲爆轰发动机内爆轰的形成，能大幅提高爆轰波的峰值压力及爆轰波传播的速度。当两点点火源距离为260 mm时，两点点火时间间隔必须大于0.47 ms，爆轰发动机内才能形成促进爆轰发生的有利条件；适当增大两点点火的时间间隔能缩短缓燃转爆轰的距离，缓燃转爆轰的距离从590 mm缩短至420 mm。

两点点火；缓燃转爆轰；爆轰波；脉冲爆轰发动机

0 引言

在最近10多年中，爆轰推进技术受到广泛关注，其中研究最多的属脉冲爆轰发动机。在脉冲爆轰发动机研究过程中，快速点火起爆及实现短距离内缓燃转爆轰(Deflagration to Detonation Transition, DDT)过程是关键技术。爆轰波可通过直接起爆或缓燃转爆轰得到，由于液态燃料直接起爆所需能量巨大(可达MJ级别)，因而实际脉冲爆轰发动机的起爆一般都采用缓燃转爆轰方式。实现DDT过程最常用的方式主要有在爆轰管内安装障碍物(Shchelkin螺旋装置、扰流器、有孔挡板等)来增加火焰传播的速率从而促进爆轰的形成[1-5]；还有采用预爆轰方式点火[6-7]以及射流点火方式[8]以达到缩短缓燃转爆轰距离的目的。

除此之外，采用多点点火方式也是实现快速起爆及缩短缓燃转爆轰距离的一个有效方法。Frolov[9-10]采用两点点火对光滑爆轰管内气相和液相混合物进行了点火起爆实验。研究发现，在合适的点火时机触发下，两点点火能缩短缓燃转爆轰的距离，两点点火成功起爆所需的总能量显著小于单点点火起爆的能量。Sinibaldi等[11]采用2个瞬态等离子点火器进行缩短DDT时间和距离的研究，实验结果发现相对电容火花点火，双等离子点火能够缩短DDT时间6 ms，缩短DDT距离170 mm。

国内在多点点火引爆爆轰波研究方面主要集中于数值研究，王治武等[12]对不同间距、不同点火间隔时间的两点火源点火起爆过程进行了数值模拟，数值计算结果表明两点点火的时间间隔在一定范围之内时，有利于爆轰起爆。董刚等[13]数值研究了多点连续点火诱导氢气-空气预混合气体的爆轰过程。计算结果表明，点火时序的变化可显著影响预混气的爆轰引发特性，适当的加速连续点火过程可以诱导爆轰的形成，并能缩短缓燃转爆轰的时间和距离。

综上所述，通过控制多点点火的点火时机及调整点火源之间的间距能缩短DDT的时间和距离，这对脉冲爆轰发动机的实际工程应用具有较大的应用价值。目前国内外关于脉冲爆轰发动机多点点火的实验研究偏少，因此本文开展了脉冲爆轰发动机两点点火实验研究，主要研究两点点火对起爆过程及爆轰波参数的影响，其目的是为缩短缓燃转爆轰的距离，研究结果可为脉冲爆轰发动机的工程研制提供有益的指导。

1 实验系统

脉冲爆轰发动机两点点火实验系统包括燃料/氧化剂供给系统、点火系统、数据采集系统和脉冲爆轰发动机实验装置。图1是两点点火脉冲爆轰发动机实验系统示意图。

图1 两点点火脉冲爆轰发动机实验系统示意图Fig.1 Diagram of pulse detonation engine by two ignition sources

脉冲爆轰发动机燃烧室直径80 mm。点火系统包括信号发生器、点火发生器及点火头。2个点火头位置距离发动机封闭端距离依次为300 mm和560 mm，2个点火头之间的点火时间间隔通过信号发生器控制。氧化剂为压缩空气，空气通过在爆轰管壁上的小孔喷射入发动机内，采用切向进气方式，这样可改善燃油雾化和掺混性能，通过调节瓶口减压阀出口压力控制进气流量；燃料采用汽油，通过挤压方式供油，燃油通过直射式喷嘴喷射。爆轰管壁上布置了7个PCB高频响动态压力传感器，距离发动机封闭端距离依次为490、630、910、1 080、1 280、1 480、1 630 mm(下文中分别以PT1，PT2，…，PT7表示)，压力数据通过NI数据采集系统采集。脉冲爆轰发动机内安装了环形扰流片来强化燃烧，扰流片之间的间距为80 mm。

2 实验结果及分析

为研究两点点火对起爆过程及爆轰参数的影响，本文分别对单点点火及不同时间间隔两点点火的脉冲爆轰发动机进行了实验研究，两者的实验系统相同，脉冲爆轰发动机内氧化剂/燃料填充条件也相同；点火器单点点火或两点点火通过信号发生器控制，单点点火时点火位置距发动机封闭端为300 mm，两点点火时靠近发动机封闭端的点火位置先点火，第二个点火位置在设定的时间间隔Δt后开始点火。

2.1 单点点火实验结果及分析

首先进行了脉冲爆轰发动机单点点火实验，发动机工作频率为10 Hz。图2为单点点火时不同位置处单个脉冲周期内压力曲线图。

(a)PT1～PT3

(b)PT4～PT7

由图2可知，在发动机点火之后，靠近点火区域的油气混合物迅速点燃，反应物燃烧释放热量形成向右传播的激波，在此区域内释放能量较大，因而靠近此区域的压力较高，PT1和PT2处的压力峰值分别为1.1 MPa和1.2 MPa，PT3处的压力峰值达到5.3 MPa。随着激波向管口传播，激波强度不断减弱，其压力逐渐降低，PT5、PT6和PT7上的压力峰值均降至1 MPa以下，PT7上的压力只有0.6 MPa左右。激波通过各传感器位置的速度可由下面的公式求得

(1)

式中xPTN为第N(N=4，5，6，7)个传感器距发动机封闭端的距离；tPTN为激波到达第N个传感器的时间。

通过式(1)计算得到不同位置上的速度依次为1 067.1、944.0、866.1、830.7 m/s，可知激波传播速度也是逐渐减慢。本次实验中当量比为0.9，根据CEA计算的结果，此时爆轰波的速度为1 759.7 m/s，因而可判断在本次实验条件下，单点点火在发动机内只是形成了爆燃，未能形成爆轰波。

在本文试验中，爆轰是通过缓燃向爆轰转变的间接方式得到。根据Lee的理论[14]，在转变为爆轰波之前，火焰面的传播速度要经过一段持续增大的过程，当达到适当的局部条件时就会触发爆轰的发生。但在本文单点点火条件下，发动机内火焰面传播速度持续降低(本文中实际测出的是激波传播速度，由于在未形成爆轰之前，火焰面是落后于激波阵面的，即火焰传播速度小于激波速度)，因而导致未能形成爆轰。

此种情况不能产生爆轰的原因主要是在单点点火时，燃烧释放的热量不能为点火产生的激波传播提供充分的能量，导致激波与燃烧波阵面的距离逐渐增大，激波的强度逐渐衰减，其传播的速度也是逐渐降低，因而不能产生爆轰。

2.2 两点点火实验结果及分析

两点点火的脉冲爆轰发动机实验系统及实验条件与单点点火时相同，2个点火源之间的间距为260 mm，点火时间间隔Δt分别为0.14、0.28、0.42、0.56、0.70、0.84、0.98、1.12、1.68、2.24 ms。表1给出了不同时间间隔下两点点火时爆轰管不同位置处的压力及速度参数。

表1 不同点火条件下的压力峰值及速度值Table 1 Pressure peak value and velocity value at different ignition conditions

图3和图4(a)分别为点火间隔为0.14 ms时不同位置上的压力曲线及单个爆轰周期内的压力曲线。从中可看出，各个传感器位置上的压力峰值较单点点火有较大幅度提高，但其速度提高较小，发动机尾部激波传播速度在1 000 m/s左右。可以判定在这种情况下，发动机内还未形成充分发展的爆轰波。同样，点火间隔为0.28 ms(图4(b))和0.42 ms时，发动机内的压力及波速都与间隔为0.14 ms时类似，说明在上述情况下，发动机内未形成充分发展的爆轰波。

在单点点火时，通过分析可得到点火产生的压缩波到达PT1和PT2之间的时间间隔约为0.3 ms(定义压力升至该压力传感器测得的压力最高值的10%时的时间为压缩波阵面到达该处的时间)，由式(1)可知压缩波在2个点火源之间的传播速度约为550 m/s，据此可大致计算出压缩波在2个点火源之间传播的时间为0.47 ms。当两点点火时间间隔小于此时间时，由于点火时机与压缩波阵面到达时间不匹配，此时2个点火源之间点火间隔时间太短，第一个点火源点火后产生的压缩波还未到达第二个点火源所在的区域，第二个点火源点火后外加的点火能量未能与第一个点火源产生的燃烧过程相互耦合，发动机内未能出现利于爆轰形成的条件。即当点火间隔时间小于0.47 ms时，在本次实验条件下采用两点点火也不能在发动机内形成稳定的爆轰。

图3 两点点火不同位置压力曲线(Δt=0.14 ms)Fig.3 Pressure profile at different positions by two ignition sources (Δt=0.14 ms)

(a)Δt=0.14 ms

(b)Δt=0.28 ms

当点火间隔增大至0.56 ms时，爆轰管内压力变化不大(见图5(a))，但是爆轰波的传度速度较之前面几种情况增大了近1倍，在爆轰管的尾部，爆轰波速度已超过1 700 m/s。当继续增大两点点火之间的时间间隔时(图5(b)、(c))，实验测得脉冲爆轰发动机内各传感器位置处的平均压力峰值均大致相同，PT3之后的传感器上的峰值压力都超过3 MPa(见图6(b))，可以判定此种情况下，发动机内产生了稳定的爆轰波。

由前面的分析可知，当两点点火源之间距离一定且点火时间间隔超过某一临界值后(本次实验中为0.47 ms)，第一个点火源产生的压缩波已传过第二个点火源的点火区域，在此压缩波作用下，第二个点火区域内反应混合物的温度、压力和密度升高，由于燃烧火焰阵面传播的速度小于压缩波的传播速度，此时该区域内的混合物并未被点燃；在第二个点火源点火后，将形成一道更强的压缩波向发动机管口传播，此压缩波的强度超过第一个点火源所产生的压缩波，这些强压缩波在发动机内会叠加成火焰前方的前导激波，从而能诱导爆轰的产生。

图7为不同点火间隔时不同位置上爆轰波的传播速度。点火后，火焰加速过程有一个缓慢的加速过程，在PT1和PT2之前，由于点火后产生的压缩波传播速度一般小于500 m/s，在点火源附近区域火焰锋面的传播落后于压缩波，可知火焰锋面的传播速度也是小于500 m/s；之后火焰传播速度逐渐增加，在未形成爆轰的情况下，其火焰阵面的传播速度也是小于1 000 m/s(见图7(a))；在爆轰发生前，火焰波的传播速度往往有一个急剧的加速过程(见图7(b))，爆轰形成之后，火焰阵面与前导激波耦合，可认为此时火焰阵面速度和激波速度相等，速度趋于稳定，其速度在1 700～2 000 m/s。从图7(b)还可知，在点火时间间隔大于0.56 ms且小于1.68 ms时，爆轰波速度在PT3和PT4之间发生急剧增大，即在PT3和PT4之间完成缓燃转爆轰过程，此时缓燃转爆轰的距离小于590 mm；当点火时间间隔大于1.68 ms时，在PT2和PT3之间已完成缓燃转爆轰过程，即缓燃转爆轰的距离小于420 mm，说明当点火时间间隔适当增大之后，能缩短缓燃转爆轰的距离。

(a)Δt=0.56 ms (b)Δt=1.12 ms (c)Δt=1.68 ms

图5 两点点火时不同位置单个周期内压力曲线

Fig.5 Pressure profile at different positions in a single cycle by two ignition sources

(a)未形成爆轰

(b)形成爆轰

(a)未形成爆轰

(b)形成爆轰

3 结论

(1)两点点火能强化脉冲爆轰发动机的起爆过程，促进发动机内爆轰波的形成；能有效缩短脉冲爆轰发动机内缓燃转爆轰的距离。

(2)两点点火的时间间隔对爆轰的形成有重要影响，当两点点火源距离一定，点火间隔时间需大于某一临界值，亦即只有当第二个点火源点火时刻在第一个点火源点火产生的压力波阵面到达之后时，才能形成有利于爆轰形成的条件。

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(编辑：吕耀辉)

Experimental study of ignition in pulse detonation engine by two ignition sources

BAI Qiao-dong,WENG Chun-sheng,XU Gui-yang,YANG Jian-lu,HUANG Xiao-long

(Key Laboratory of Transit Physics, Nanjing University of Science & Technology,Nanjing 210094)

To investigate the effects of two ignition sources in pulse detonation engine on the propagation of detonation wave,the ignition and propagation of detonation waves in pulse detonation engine were studied experimentally.The experimental results show that two ignition sources in pulse detonation engine can induce the formation of detonation wave.When the distance between the two ignition sources was 260 mm,the ignition time interval between the two ignition sources must be larger than a critical value (0.47 ms),the detonation wave can be formed in the pulse detonation engine.The distance of deflagration to detonation transition (DDT) can be shortened by increasing the time interval between the two ignition sources,the DDT run-up distance was shortened from 590 mm to 420 mm.

two ignition sources;deflagration to detonation transition;detonation wave;pulse detonation engine

2015-01-21；

：2015-03-07。

国家自然科学基金(11472138)。

白桥栋(1979—)，男，博士，研究方向为爆轰推进技术。E-mail:qd_bai@126.com

V439

A

1006-2793(2015)06-0821-06

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.06.013