旋转爆震发动机火焰与压力波传播特性

徐灿，马虎,*，李健，邓利，余陵

1.南京理工大学 机械工程学院，南京 210094 2.上海航天技术研究院，上海 201109

旋转爆震发动机火焰与压力波传播特性

徐灿1，马虎1,*，李健2，邓利1，余陵1

1.南京理工大学 机械工程学院，南京 210094 2.上海航天技术研究院，上海 201109

为研究旋转爆震发动机(Rotating Detonation Engine，RDE)工作过程中火焰与压力波的传播特性，在采用非预混喷注方式的H2/Air发动机模型上进行实验，采用的测量装置包括离子探针、高频压力传感器和高速摄影。结合离子信号曲线、压力曲线和高速摄影图片，分析了从点火到形成稳定旋转爆震波的过程，从测量结果中观察到了燃烧波的对撞现象及火焰与压力波的发展过程；在RDE的稳定工作过程中，火焰与压力波耦合，通过分析离子信号曲线，发现离燃烧室入口较近的点受新鲜反应物喷注的影响较大，并解释了实验所得爆震波的速度亏损和压力峰值相比于理论C-J(Chapman-Jouguet)值偏低的现象；在RDE熄火过程中也观察到了压力波和火焰的耦合，但离子信号峰值、压力峰值及压力波瞬时传播速度持续下降，一段时间后，发动机熄火。这些研究结论对理解RDE中旋转爆震波的起始和传播机理具有一定的参考价值。

旋转爆震发动机(RDE)；离子信号；压力；爆震波；起爆；熄火

燃烧一般分为爆燃和爆震2种模式。大部分推进系统都采用近似等压的爆燃燃烧产生动力，其化学反应平缓，火焰传播速度为几米每秒量级。而爆震燃烧近似等容燃烧，能使压力迅速升高，化学反应剧烈，火焰传播速度达千米每秒量级，具有热循环效率高、能量释放速度快、自增压等优点，自20世纪以来得到国内外学者的广泛关注。旋转爆震发动机(Rotating Detonation Engine，RDE)是一种基于爆震燃烧机理的新型发动机，通常采用一端封闭一端开口的圆环形燃烧室，工作时产生高速旋转的爆震波，随着燃烧产物的高速排出产生推力。

迄今为止，已经有较多与RDE相关的文献。俄罗斯Bykovskii等[1]对不同燃料和氧化剂开展了实验研究；欧洲导弹集团(MBDA)[2]成功开启了部分相关实验；美国空军动力研究实验室(AFRL)[3]设计改进了RDE实验台并测量了发动机工作过程中的诸多参数；Russo等[4]采用含氮量79%的空气，研究发动机稳定工作的工况范围；海军研究院(NRL)[5]采用数值模拟，研究入口与出口压力比值较低时RDE的工作特性；Burr和Yu[6]对爆震波熄爆/再起爆过程进行了数值研究；Stechmann等[7]研究了RDE在2种燃料(氢气和天然气)下的工作过程。近期，AFRL[8]利用OH*化学发光成像仪观察RDE的内流场结构，记录了爆震波头数的转变过程及同向传播和对撞传播2种模态，确定了模态转变的临界条件，并发现燃烧室和集气腔之间存在声学干扰。国内部分学者通过数值模拟和实验，开展了如下研究：爆震和爆燃共同存在的现象[9]，稳定旋转爆震波的建立过程[10]，喷注方式对发动机的影响[11]。此外，国防科学技术大学王超等[12]在吸气式RDE上进行实验，研究连续旋转爆震波与空气来流的相互作用，实验中发现了3种结果，且初步探索了燃烧室尺寸的影响。

ZND(Zeldovich-Neumann-Doering)[13]模型理论认为：爆震波由前导激波和化学反应区组成。实验中通常采用高频压力传感器测量前导激波，通过压力信号判断爆震波是否形成，及爆震波传播速度、方向、波头数等，对火焰区的研究较少。然而燃烧产生的高温高压燃气使压力传感器工作环境非常恶劣，不利于开展长程实验，为延长其使用寿命，通常会在表面镀耐烧蚀材料或加冷却装置，但这些措施往往会造成信号延迟、精度下降和装置的复杂化[14]。离子探针是目前反映发动机燃烧状态的关键技术之一，通常被用于汽车发动机的燃烧状态检测，对环境压力、温度和气流速度变化不敏感，具有灵敏度高、结构简单、操作方便、价格低廉等优点[15]。

目前，国内外有部分学者采用离子探针和高频压力传感器结合的手段研究爆震发动机，包括RDE和脉冲爆震发动机(Pulsed Detonation Engine，PDE)。Frolov等[16]在大尺寸旋转爆震燃烧室中进行实验，他们在发动机的轴向和周向布置了多个离子探针，用离子信号判断爆震波传播方向和爆震波高度；George等[17]在H2/Air组合的吸气式RDE上采用离子探针成功检测到高频火焰信号；潘慕绚等[18]在PDE中开展实验，推导出了离子电流衰减速度和爆震波压力峰值间的方程式，由该公式计算获得的压力峰值与传感器测量值的误差在3%以内；张彭岗等[19]在爆震管中进行单爆震实验，利用压力传感器和离子探针分别测量压力波和火焰，分析了爆燃和爆震2种不同燃烧模式下波与火焰的相互作用过程。

目前，在研究RDE工作特性时，大多是基于压力的测量开展的，而对火焰的测量较少，本文将通过实验的方式，对火焰与压力波的传播特性同时展开研究。采用离子探针和高频压力传感器，分别测量燃烧室内火焰信号和压力信号；此外还将结合可视化研究手段——高速摄影，以更直观地观察火焰。

1 实验系统介绍

图1给出了实验系统，从图1(a)可以看出，实验系统主要由5部分组成：推进剂供给系统、模型发动机、控制系统、测量与采集系统和点火装置。

1) 推进剂供给系统

利用高压气瓶为发动机提供燃烧工质，以H2为燃料，Air为氧化剂。供给管路由高压气源、减压阀、限流喉道、球阀、电磁阀和单向阀组成。通过调节减压阀达到改变反应物质量流率的目的。

2) 模型发动机

采用非预混喷注方式，H2和Air首先喷入各自的集气腔内，H2由燃烧室内壁面周向均布的90个小孔进入燃烧室，Air由收缩-扩张环缝沿轴向进入燃烧室，燃料和氧化剂在燃烧室内边混合边燃烧。燃烧室是一端封闭一端开口的圆环形结构，燃烧室外径do=80 mm，内径di=70 mm，环缝宽5 mm，轴向长L=40 mm。

3) 控制系统

通过自主开发的时序控制程序改变火花塞和电磁阀的工作状态，从而实现点火时刻控制和供给管路的通断控制。

4) 测量与采集系统

在燃烧室内安装了4个离子探针，用于测量不同位置火焰信号，安装后的离子探针电极基本处于环缝中径位置；此外，安装了2个PCB(Piezotronnics)高频压力传感器，型号均为113B24，采用平齐安装方式。各测量点位置如图1(c)所示，该图是燃烧室周向展开视图，“Inlet”表示燃烧室入口，“Outlet”表示燃烧室出口，点I1～I4代表离子探针的安装位置，P1、P2代表PCB的安装位置，从图中可以看出各测量点相对燃烧室入口的轴向距离及点与点间的夹角，箭头指向“Clockwise”代表顺时针方向。采用扩散硅式压力变送器测量H2集气腔、Air集气腔内压力。离子探针及压力传感器的信号均由NI(National Instruments)采集设备采集，其单通道采样频率为2×106Hz，具有16位ADC(Analog-to-Digital Converter)分辨率，能够确保信号的真实稳定，本实验采样频率设置为5×104Hz。此外，在发动机出口轴向上布置了高速摄影(CCD)，用于拍摄出口处火焰，帧数设置为47 000 frame/s。

图1 实验系统Fig.1 Experimental system

5) 点火装置

采用垂直安装的预爆震管点火，图1(c)中的“Predetonation tube”是其安装位置，预爆震管以H2/O2组合为工质，利用普通火花塞点火，点火能量约为50 mJ。

图1(b)是火焰测量系统示意图。离子探针共有2个电极，如图中“Positive electrode”和“Negative electrode”所示，两极均置于燃烧室内，离子探针的外壳作为负极与发动机外壳通过螺纹连接，电路接地，如图中“GND”所示。“DC”代表直流电源，采用9 V干电池供电，4个测量电路采用并联方式连接。

2 实验结果分析

2.1 起爆过程

图2(a)是点火后U2和p2的曲线，图2(a)中下图是上图虚线框内曲线的局部放大。如图所示，在ta时刻采集到火花塞点火时释放的瞬时高压电脉冲信号。随后，在Δt1内，离子信号和压力值均为0，这段时间是预爆震管中发展爆震波的过程，爆震波尚未建立。在tc时刻U2、p2同时上升，说明此时在燃烧室内形成了激波和火焰面的耦合体。

图2(b)是点火后U1、U2、U3、U4、p1、p2的曲线。可以看出：U3和U4在tb时刻同时上升，表明从预爆震管中传出的高速火焰向两侧对称传播，其传播速度一致，使点I3和I4同时感应到火焰锋面的离子信号。随后，U1、U2和p2在tc时刻同时上升。火焰锋面从I3点传播到I1点的速度vs=[π(do+di)]/[12(tc-tb)]=1 309 m/s，与火焰锋面从I4点传播到I2点的速度一致，说明该过程中2部分火焰仍对称传播。当前导激波沿逆时针传播至P1点时，p1在td时刻陡升。随着火焰继续向前传播，2部分火焰将在某一时刻相遇对撞，对撞形成的透射激波仍沿各自的传播方向向前传播。对撞前沿顺时针方向传播的燃烧波在对撞后先传播至P1点，使p1在te时刻再次陡升。同理，对撞前沿逆时针方向传播的燃烧波在对撞后传播至P2点，使p2在tf时刻缓慢上升，但压力峰值较小，说明透射激波强度有所减弱。

U1和U2在tg时刻第一次降低到最小值0，说明此时点I1和I2处没有燃烧产物。U3和U4分别在th和ti时刻先后降低到最小值，但不等于0，说明此时点I3和I4处有部分燃烧产物。此外，U3、U4明显大于U1、U2。这些现象表明：点火初期，燃烧室下游离子浓度明显高于上游。可能是由于反应物喷注加快了燃烧室入口处气流速度，初始火焰不稳定，被吹向下游。

U1和U2在tg～tj内为0，而U3和U4在ti～tj之间有微弱的信号波动，压力曲线在tf～tj内缓升缓降，且幅值较小，这是由于燃烧消耗了反应物，而新鲜反应物供给不足，使火焰和压力波解耦，激波衰减为弱压缩波，火焰也会减弱。经过一段时间的发展，p2在tj时刻明显增大，且p2先于U2上升，说明虽然形成了较强的压缩波，但压力波尚未与火焰耦合。从tj时刻开始，燃烧室内形成了沿一个方向传播的燃烧波。离子信号按U2、U4、U3、U1的顺序上升，对照图1(c)，看出燃烧波沿逆时针方向传播，表明在2部分火焰的碰撞过程中，沿顺时针方向传播的燃烧波不断减弱，直至消失，而沿逆时针方向传播的燃烧波不断增强。此后，经过几个周期的发展，火焰和压力波耦合。但在Δt3时间内，相邻周期的火焰传播速度及压力波传播速度在较大范围内波动，且压力峰值的波动也较大，说明爆震波还未稳定传播，这主要是由于初始时期供气系统未处于稳定工作状态。从tk时刻开始，相邻周期的爆震波传播速度波动较小，且压力峰值也比较稳定，此时，燃烧室内形成了稳定自持的旋转爆震波。从点火到形成稳定自持的旋转爆震波所用的时间Δti=Δt1+Δt2+Δt3=20.54 ms，包含了预爆震管内爆震波的形成和传播时间。

图2 点火过程Fig.2 Ignition process

图2(c)是点火过程中部分连续的高速摄影图片，图中标出了测量点及预爆震管的安装位置。从图中可以直观地看出，环形燃烧室内形成了2个基本对称的以相反方向传播的火焰面，火焰先到达测量点I3和I4，然后到达I1和I2，与从图2(b)中得出的结论一致。观察编号2 ～ 6的照片，可以清楚看到火焰的“Tulip”结构，即两壁面火焰发展快于中心处火焰，这是火焰与壁面相互作用使壁面火焰加速的结果[20]。

2.2 稳定传播过程

图3(a)是RDE全程工作下，集气腔内压力曲线及U2、p2曲线，为方便观察将p2减小5×105Pa。可以看出，RDE工作初始阶段，U2的值明显大于后续阶段，而p2整体比较平稳。

图3(b)是RDE全程工作下，离子信号U1、U2、U3、U4的曲线。观察虚线方框内曲线的最小值，发现：U3、U4的最低点明显不归0，表明测量点处有燃烧产物存在，而U1的最低点最接近0，且U3、U4的最小值明显大于其余2条曲线。出现这种现象可能是由于测量点I1、I2离燃烧室入口较近，受新鲜反应物喷注的影响较大，由于反应物的填充高度有限，离燃烧室入口较远的测量点I3、I4所受的影响相对较小，导致测量点处残留更多燃烧产物。如图1(c)所示，点P1与I3离燃烧室入口的轴向距离都是8 mm，而点P2与I4的轴向间距较小，由此可以认为：点P1和P2处的爆震波前都存在部分燃烧产物。

图4(a)是爆震波稳定传播阶段U2、p2的曲线图。可以看出：火焰与压力波在每个周期都是同时上升的，证明二者在传播过程中相互耦合。此外，U2、p2的峰值都不稳定，这是由于燃料和氧化剂边混合边燃烧，每个周期的混合效果不同，导致爆震波后的状态有所不同。

图4(b)是稳定工作阶段离子信号U1、U2、U3、U4的局部放大图。可以看出，不同测量点的离子信号峰值相差较大，且曲线的变化规律也不尽相同，其中，U4在一个周期内出现2个波峰。观察其余时刻的离子信号曲线，发现U1、U2、U3也会出现双波峰，但出现的频率比U4低。离子信号曲线的第1个峰值对应的是火焰前锋面，但第2个波峰的形成原因尚不明确。图中用方形点标注了每条曲线单个周期内的最低点，呈现一定规律：U4最低点的值最大，其次是U3，U1和U2最低点的值最小，且基本等高。上文已经分析了出现这种现象可能的原因。根据曲线上升的时间先后，可以判断爆震波传播方向为：I2→I4→I3→I1，沿发动机出口观察为逆时针方向。

图4(c)是CCD拍摄的1个周期内连续的火焰图片。可以直观地看出爆震波沿逆时针方向传播，与从图4(b)中判断的传播方向一致。与图2(c)所示的起爆过程相比，此时爆震波亮度明显减弱。

图3 RDE整个工作过程曲线图Fig.3 Curves in the whole working process of RDE

图4 RDE稳定工作阶段Fig.4 Stable working stage of RDE

通过热力计算软件CEA计算该工况下爆震波理论C-J(Chapman-Jouguet)压力为1.53×106Pa，C-J速度为2 126 m/s。实验结果低于理论计算值。原因是CEA计算时认为波前的反应物是环境温度和环境压力下的H2与Air按实验当量比确定的混合物。但实验中发现爆震波前的混合物除了有从燃烧室入口喷入的新鲜反应物外，还存在部分燃烧产物，使波前混合物的放热量降低。此外，侧向膨胀、燃烧室内壁面的发散作用及混合不均匀性等因素也可能导致爆震波压力和速度的亏损[5]。

图5 RDE稳定工作阶段的p1、p2和vp1、vp2Fig.5 p1, p2 and vp1,vp2in stable working stage of RDE

图6 U2和p2的主频Fig.6 Dominant frequencies of U2 and p2

2.3 熄火过程

图7(a)是RDE熄火过程的压力曲线，为方便观察将p2减小了5×105Pa。可以看出，切断H2和Air供给后，集气腔内压力逐渐下降，且U2、p2也呈现逐渐下降趋势。将图7(a)的p2增加5×105Pa，再将图中虚线框Part 1和Part 2局部放大，得到图7(b)所示结果。观察Part 1可以看出：压力曲线在陡升前有一小段较平缓的上升，如图中A所指。这个过程中火焰仍然与激波耦合。观察Part 2可知，随着时间推移，U2、p2的幅值将继续减小，压力曲线缓升缓降，此时反应物基本消耗完毕，燃烧室内只存在微弱的爆燃燃烧，直至熄火。

图7(c)和图7(d)分别是1.83 ～ 1.91 s内，压力峰值和压力波瞬时传播速度随时间分布的散点图，都是依据p2处理得到的。可以看出，在1.83 ～ 1.86 s内，压力峰值和压力波的瞬时传播速度都在一定范围内波动，但总体比较平稳；随后，二者呈明显下降趋势，压力峰值逐渐减小到趋于0。此外，由于氢气集气腔压力的迅速下降， 导致瞬时传播速度在图7(d)中标记的虚线方框内的波动比其余时刻更明显。

图7 熄火过程Fig.7 Shut down process

3 结 论

本文在非预混喷注旋转爆震发动机模型上进行实验，同时采用高频压力传感器、离子探针、高速摄影等测量装备，分析了RDE的起爆、熄火和稳定传播过程，得出以下结论：

1) 点火初期，燃烧室内、外壁面火焰传播速度超过中间火焰，形成了“Tulip”火焰结构。

2) 越靠近燃烧室入口，离子信号的最低点越接近0，表明越靠近入口，燃烧产物在波前混合物中的比例越低，越往下游燃烧产物的占比越高。

3) 由于爆震波前是由新鲜反应物与上一循环的燃烧产物构成的混合物，降低了化学反应的放热量，导致RDE中的爆震波压力和速度低于其理论C-J值。

4) 旋转爆震波稳定传播过程中火焰与激波相互耦合，二者主频一致，均为7 326 Hz，爆震波平均传播速度为1 726 m/s，切断燃料和氧化剂的供应后，这种耦合会持续一段时间后解耦熄火。

本文开展的实验工作还很有限，对不同工况下RDE内火焰及压力波的传播特性缺少研究。离子信号包含丰富的燃烧信息，但由于本文所用观测手段的限制，对其变化趋势的解释尚不完全，有必要在后续工作中采用更多的定量和定性分析。实验得到的平均压力峰值及爆震波平均传播速度比理论值低，有必要对这一现象作进一步研究和解释。

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Propagationpropertyofflameandpressurewaveinrotatingdetonationengine

XUCan1,MAHu1,*,LIJian2,DENGLi1,YULing1

1.SchoolofMechanicalandEngineering,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,China2.ShanghaiAerospacePowerTechnologyReasearchInstitute,Shanghai201109,China

Experimentsareconductedonnon-premixedH2/AirRotatingDetonationEngine(RDE)tostudythepropagationpropertyoftheflameandpressurewaveintheworkingprocessoftheRDE.Ionprobes,high-frequencypressuretransducersandhighspeedcameraareusedsimultaneouslytomeasuretheflameandinstantaneousstaticpressuresignal.Basedontheioncurrentcurve,pressurecurveandhighspeedphotography,theprocessfromignitiontotheformationofstablerotatingdetonationwaveisanalyzed.Thecollisionofcombustionwaveandthedevelopmentprocessofflameandpressurewaveareobserved.ItcanbeconcludedthattheflameiscouplingwiththepressurewaveinthestableworkingstageoftheRDE.TheaveragepropagationvelocityandaveragepressurepeakoftherotatingdetonationwaveobtainedintheexperimentaremuchsmallerthanthetheoreticalC-J(Chapman-Jouguet)values,andexplanationtothisphenomenonisgivenbasedontheanalysisofthecharacteristicsoftheioncurrentcurve.Theeffectsoffreshreactantinjectiononthepointneartheinletofcombustionchamberaremoresignificantthanthefurtherones.Additionally,theshutdownprocessalsocharacterizesthecouplingoftheflameandpressurewave,theioncurrentpeak,pressurepeakandinstantaneousvelocityofpressurewavecontinuetodeclinetillextinction.TheseresearchconclusionsmayprovidesomereferencetotheunderstandingoftheinitiationandpropagationmechanismoftherotatingdetonationwaveoftheRDE.

rotatingdetonationengine(RDE);ionsignal;pressure;detonationwave;ignitionprocess;shutdown

2017-03-09；Revised2017-03-16；Accepted2017-04-05；Publishedonline2017-04-191352

URL：http://hkxb.buaa.edu.cn/CN/html/20171007.html

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10.7527/S1000-6893.2017.121226

V235.22

A

1000-6893(2017)10-121226-09

2017-03-09；退修日期2017-03-16；录用日期2017-04-05；< class="emphasis_bold">网络出版时间

时间：2017-04-191352

http://hkxb.buaa.edu.cn/CN/html/20171007.html

国家自然科学基金(51606100)； 江苏省自然科学基金(BK20150782)； 中央高校基本科研业务费专项资金(30915118836)

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.E-mailmahuokok@163.com

徐灿，马虎，李健，等．旋转爆震发动机火焰与压力波传播特性J． 航空学报,2017,38(10):121226.XUC,MAH,LIJ,etal.PropagationpropertyofflameandpressurewaveinrotatingdetonationengineJ.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2017,38(10):121226.

(责任编辑：王娇)