低溫等離子體點火乙炔／空氣爆震特性試驗

鄭殿峰

（北京大學航空航天系，100871北京）

低溫等離子體點火乙炔／空氣爆震特性試驗

鄭殿峰

（北京大學航空航天系，100871北京）

為研究交流驅動低溫等離子體點火觸發爆震特性，在長1.5 m、內徑60 mm的爆震管上，以乙炔為燃料，空氣為氧化劑，按分壓法配氣，通過循環，使爆震管內混氣混合均勻，進行氣相單次爆震實驗.采用交流驅動低溫等離子體點火，單次放電時間0.5ms，放電能量約為0.2 J.在點火的同時，用壓力傳感器和離子探針同時采集爆震管內的壓力波和火焰傳播特性.實驗表明：交流驅動低溫等離子體實現了乙炔／空氣點火起爆過程，余氣系數0.6及1.0混氣產生很強的爆震波，余氣系數下降，混氣壓力下降，爆震波傳播速度和峰值壓力下降，DDT距離和時間增加；余氣系數1.4混氣不能產生爆震波.

脈沖爆震發動機；低溫等離子體；交流驅動；乙炔，點火；爆震

脈沖爆震發動機（pulse detonation engine簡稱PDE）是一種利用周期性爆震波來產生推力的動力裝置［1］.為了提高PDE工作頻率和改善動力性能，必須縮短緩燃向爆震轉捩（deflagration to detonation transition，簡稱DDT）的距離和時間.DDT主要是通過弱小的點火能量產生緩燃波，最終通過激波和火焰的相互作用發展成爆震波.

PDE點火方式主要有火花塞、熱射流、低溫等離子體等，文獻［2-3］采用火花塞點火實現DDT過程，DDT距離取決于點火能量、點火位置、油氣比等.文獻［4］采用乙炔為燃料，空氣為氧化劑，用火花塞點火，研究爆震管內的DDT過程.文獻［5-6］采用乙炔和空氣熱射流點火，可有效縮短DDT距離，并證明其比火花塞具有明顯優勢.為發展PDE先進的點火技術，國外采用納秒脈沖放電低溫等離子體點火起爆技術，目的是進一步縮短DDT距離和時間，提高爆震頻率，增加有效推力.文獻［7-8］使用納秒脈沖電源電壓80 kV、脈寬50 ns，實現了大體積點火，顯著地縮短點火延遲時間.文獻［9］使用脈沖放電點火效率可達60%，比火花塞點火效率（5%）高一個數量級.文獻［10］使用脈沖放電，實現了乙烯／空氣在氣流速度100m／s，及汽油／空氣氣流速度55 m／s時的成功點火.文獻［11-12］將納秒脈沖放電點火，實現乙烯與470 K空氣為工質的PDE協調工作，頻率為80 Hz.交流驅動低溫等離子體主要用于常規點火和助燃方面，文獻［13］采用交流驅動介質阻擋放電產生低溫等離子體，對丙烷燃料點火助燃，提高了火焰穩定性，降低貧油極限.文獻［14］使用交流驅動低溫等離子體，提高甲烷火焰傳播速度50%.文獻［15］采用直流電源驅動，以氬氣為工作介質，研究了等離子體點火器的射流特性.文獻［16］采用交流驅動低溫等離子體，使低熱值氣體燃料可靠點火和穩定燃燒.文獻［17］采用CE／SE數值方法，研究等離子體射流點火對爆震特性的影響.

產生低溫等離子體主要有納秒脈沖放電和交流驅動介質阻擋放電兩種方式，其能產生體積大，能量密度高的低溫等離子態活性物質，點火效率高.本文通過建立氣體燃料點火起爆實驗系統，對交流驅動低溫等離子體進行放電頻率和時間控制，在爆震管頭部瞬時產生低溫等離子體，點燃放電區可燃混氣，再由放電區火焰點燃爆震管頭部的混氣，從而完成點火起爆過程.在點火的同時，用壓力傳感器和離子探針同時測量激波和火焰的傳播速度，再改變混氣的壓力和余氣系數進行實驗.

1 實驗設備和方法

1.1 實驗系統

單次點火起爆實驗系統如圖1所示，包括爆震管1、充氣與循環系統、點火系統等，爆震管1頭部安裝低溫等離子體點火器，爆震管出口用法蘭將塑料薄膜壓緊.閥10接口為壓縮空氣，用以檢查系統氣密性，及吹除系統廢氣.閥11、閥12接口為填充空氣和純氧，閥13、14、15接口為填充不同的氣體燃料.抽真空流程：打開閥門3、6、7、8、9，關閉其余所有閥門，用真空泵抽出系統空氣，由真空表確定真空度，關閉閥9，再關閉真空泵電源.乙炔填充流程：打開乙炔進口閥門15，乙炔經過閥門7、3進入爆震管1，由真空表核準填充乙炔份額的分壓力，關閉乙炔閥門14，再打開閥門11，向實驗系統填充空氣至常壓.乙炔和空氣循環流程是：打開閥門3、6、5，關閉其余閥門，開啟循環泵，混氣的循環路徑為循環泵—閥6—閥5—爆震管1—閥3—循環泵.經過循環5～8 min后，可燃混氣混合均勻，關閉循環泵.點火起爆流程：關閉閥門3、5，通過同步控制器，觸發低溫等離子體電源點火的同時，壓力傳感器和離子探針同時采集數據.

1.2 爆震管結構

爆震管1結構如圖2所示.爆震管長1.5 m，內徑60 mm，頭部安裝低溫等離子體點火器.爆震管內安裝44%堵塞比的圓環型擾流片，片數9，間距60 mm.第一片擾流片距爆震管頭部封閉端230mm，最后一個擾流片距爆震管頭部間距0.71 m.在爆震管1上下同一截面，對應安裝12對壓力傳感器和離子探針安裝座，第一對距爆震管頭部頂端140 mm，安裝間距120 mm.

圖1 實驗系統

圖2 爆震管1結構（mm）

1.3 電源與數據采集系統

低溫等離子體電源及頻率控制器如圖3所示.低溫等離子體電源交流電正弦波頻率30 kHz、輸出電壓0～40 kV.通過頻率控制器，實現低溫等離子體點火器單次放電時間為0.5ms，單次放電能量0.2 J左右.數據采集系統為NI公司開發的NIPXI-1042Q采集系統，共有16個并行通道，每個通道頻響為2.5 MHz；PCB高頻壓力傳感器（113A22，頻響500 kHz）測量峰值壓力，離子探針測量火焰傳播速度.

圖3 低溫等離子體電源和控制器照片

1.4 低溫等離子體點火器結構

圓環形點火器如圖4所示.高壓電極直徑20 mm，安裝在爆震管頭部封閉端中心處，高壓電極外側為剛玉管，剛玉管外徑25 mm.圓環形低壓電極與爆震管頭部封閉端連接，內徑33 mm，其上開24個直徑4 mm的圓孔，放電區長度40 mm，放電間隙4 mm.

1.5 實驗工況

以乙炔為燃料，空氣為氧化劑，燃料混氣的余氣系數為0.6、1.0、1.4，混氣壓力分別為0.1、0.08、0.06、0.04 MPa.9個離子探針距爆震管封閉端距離分別為0.27、0.39、0.51、0.63、0.75、0.87、0.99、1.11、1.23 m，5個壓力傳感器距爆震管封閉端距離分別為0.27、0.51、0.75、0.99、1.23 m.

圖4 圓環形等離子體點火器

2 實驗結果

2.1 離子探針測量火焰傳播速度

低溫等離子體點火后，火焰從爆震管封閉端，經過由緩燃向爆震的轉捩過程，向出口迅速傳播.火焰前鋒由激波后緊跟燃燒波組成，當火焰前鋒經過離子探針時，離子探針導通，即可判斷火焰的發展進程，由高頻壓力傳感器測量火焰前鋒激波壓力，即爆震波峰值壓力或緩燃波壓力.表1是根據Gaseq軟件，計算出不同狀態下乙炔／空氣爆震波速度VC-J和峰值壓力PC-J，這是根據計算得到的理想狀態數據，但試驗中爆震管內設置擾流器，實驗條件與理想狀態有差別.

表1 不同工況下乙炔／空氣混合氣C-J爆震波的峰值壓力和傳播速度

圖5為從點火時刻起，所有離子探針測到的火焰信號傳播時間，只給出部分圖形，P為混氣壓力，a為余氣系數．從圖可知：①在不同壓力和余氣系數下，低溫等離子體成功點火起爆乙炔和空氣混氣，爆震管上不同位置的離子探針都測到了火焰傳播信號，說明火焰從爆震管頭部點火區，迅速傳出爆震管；②在相同的混氣壓力下，對余氣系數0.6及1.0乙炔燃料混氣，離子探針測到的火焰信號很強，燃燒劇烈，而余氣系數1.4乙炔燃料混氣，離子探針測到的火焰信號比較弱，燃燒緩慢.離子探針的電壓值越接近于零，說明燃燒離子濃度越高，燃燒劇烈，電壓值偏離零值并快速上升，說明燃燒離子濃度相對低，燃燒緩慢；③余氣系數0.6可燃混氣，火焰傳播速度快，DDT距離和時間短.實驗得出，余氣系數0.6比1.0混氣火焰傳播速度快，爆震性能好，與表1結果相吻合，主要是因為在乙炔和空氣的富燃料混氣中，與貧燃料混氣相比，提高了燃料分子濃度，使氧分子與乙炔分子發生有效碰撞的機會大幅度提高，從而使化學反應速度加快，提高爆震特性；④混氣壓力下降，離子探針測得的火焰傳播時間增加，主要是混氣壓力下降，燃料濃度減小，化學反應速度降低的緣故.

圖6為不同壓力和余氣系數下的火焰傳播速度，火焰傳播速度為相鄰兩個離子探針間距除以火焰穿過兩個離子探針時間差，即為相鄰兩個離子探針間距的平均速度［18］，從圖可知：①余氣系數0.6，混氣壓力0.10～0.04 MPa，爆震管內火焰傳播速度接近2 km／s（見表1），認為產生了爆震波.混氣壓力0.10、0.08、0.06、0.04 MPa，DDT距離分別約為0.69、0.81、0.81、1.17 m.余氣系數1.0，混氣壓力0.1～0.06 MPa時，火焰傳播速度大于1 868 m／s（見表1），認為產生了爆震波，混氣壓力0.10、0.08、0.06 MPa，DDT距離分別約為1.05、1.12、1.12 m，混氣壓力0.04 MPa時沒有產生爆震波.余氣系數1.4，火焰傳播速度小于1 754 m／s（見表1），不同壓力混氣沒有產生爆震波.可見，余氣系數由0.6到1.0，DDT距離增加，產生爆震波的混氣壓力升高，余氣系數1.4不能產生爆震波；②混氣壓力0.1、0.08、0.06 MPa，火焰傳播速度差別很小，說明可燃混氣壓力高于某一壓力，燃燒化學反應迅速，當低于某一壓力，燃燒化學反應緩慢，這一壓力可能在0.05 MPa左右；③產生爆震波的速度曲線上升后，平直發展，沒產生爆震波的速度曲線先上升，后下降.這主要是由于離子探針裝在爆震管中心軸向位置，火焰傳出擾流片后（最后一片距爆震管頭部0.71m），通道面積擴張，火焰傳播速度會下降，最高速度點在0.8 m左右，而混氣壓力高，余氣系數0.6，爆震燃燒劇烈，爆震管面積的擴張對火焰傳播速度的影響不大.

圖5 爆震管上不同位置離子探針信號時序圖

圖6 火焰傳播速度

圖7 是不同位置的離子探針測到的火焰傳播時間，從圖可知：①同一余氣系數下，混氣壓力的下降，火焰傳播時間增加.同一壓力下，余氣系數下降，火焰傳播時間增加，特別是余氣系數1.4的燃料混氣，火焰傳播時間大幅度增加；②余氣系數0.6和1.0，混氣壓力0.1、0.08、0.06 MPa，離子探針測到的火焰傳播時間比較接近，混氣壓力0.04 MPa，火焰傳播時間增加一倍以上；③火焰到達第一個離子探針所用的時間，占火焰在爆震管內傳播的大部分時間，初始火焰發展較慢，從第一個離子探針到火焰傳出爆震管，所用的時間很短，說明初始火焰的形成和發展對爆震波的形成具有重要作用.

2.2 壓力傳感器測量爆震波峰值壓力

圖8為余氣系數0.6，壓力傳感器測到的壓力波曲線，由表1的PC-J判斷是否產生爆震波.從圖可知：①混氣壓力0.1、0.08、0.06、0.04 MPa，爆震波峰值壓力分別為5.08、4.22、2.21、1.84 MPa，大于表1相應的PC-J，認為不同壓力混氣產生了爆震波.根據圖8，計算壓力傳感器0.75 m和0.99 m之間的激波速度，混氣壓力0.1、0.08、0.06、0.04 MPa，激波速度分別為2 000、2 000、1 935、1 846 m／s，與表1的VC-J基本耦合，認為產生了C-J爆震波；②混氣壓力的下降，爆震波峰值壓力下降，混氣壓力對爆震波峰值壓力有很大影響；③混氣壓力大于0.06 MPa，DDT距離小于0.51 m，DDT時間小于3 ms，比用表1的VC-J判斷的DDT距離小，這時激波和火焰還沒有耦合.第一個壓力傳感器測到的壓力小于1.16 MPa，說明在距爆震管頭部0.27 m處，還沒有產生爆震波；④混氣壓力下降，壓力傳感器測到的爆震波峰值壓力的時間增加.混氣壓力從0.1 MPa下降到0.06 MPa，第五個壓力傳感器測得的爆震波峰值時間從2.58ms增加到3.43 ms，而混氣壓力從0.06 MPa下降到0.04 MPa，測到的壓力波峰值從3.43 ms增加到5.36 ms.可見，混氣壓力低于一定值后，火焰傳播速度迅速下降.

圖7 火焰傳播時間

圖8 不同起始壓力下余氣系數0.6時爆震波峰值壓力

圖9為余氣系數1.0的壓力波曲線，從圖可知：①與余氣系數0.6相比，所測得的爆震波峰值壓力下降，混氣壓力0.1、0.08、0.06 MPa，爆震波峰值壓力分別為3.78、3.45、2.35 MPa，大于表1相應的PC-J，認為不同壓力混氣產生了爆震波.根據圖9，計算壓力傳感器0.99 m和1.23 m之間的激波速度，混氣壓力0.1、0.08、0.06 MPa，激波速度分別為1 832、1 818、1 791 m／s，與表1的VC-J基本耦合，認為產生了C-J爆震波.而混氣壓力0.04 MPa，壓力波峰值0.62 MPa，小于表1對應的PC-J壓力，沒有產生爆震波；②第一和第二個壓力傳感器測得的壓力波峰值小，沒有產生爆震波；③余氣系數從0.6下降到1.0，壓力傳感器所測到的爆震波（壓力波）峰值壓力時間增加.

圖10為余氣系數1.4的壓力波曲線，從圖可知：①不同混氣壓力下，測到的壓力波峰值小于表1對應的PC-J壓力，沒有產生爆震波；②混氣壓力下降，壓力波峰值下降，傳播時間增加.

圖9 不同起始壓力下余氣系數1.0時爆震波峰值壓力

圖10 不同起始壓力下余氣系數1.4時爆震波峰值壓力

3 結 論

通過對連續交流驅動低溫等離子體實施頻率控制，單次放電時間0.5 ms，采用圓環型同軸低溫等離子體點火器，安裝在爆震管頭部，對乙炔／空氣的可燃混氣進行單次點火爆震實驗，得出以下結論：

1）頻控交流驅動低溫等離子體以大體積點火方式，成功實現乙炔／空氣點火起爆過程.

2）余氣系數0.6及1.0的乙炔和空氣混氣能夠產生很強的爆震波，余氣系數1.4的乙炔和空氣混氣不能產生爆震波.余氣系數下降，爆震波傳播速度和峰值壓力下降.

3）混氣壓力下降，爆震波傳播速度和峰值壓力下降，DDT距離和時間增加，壓力降到0.06 MPa以下，火焰傳播速度迅速下降，無法產生爆震波.

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（編輯張 宏）

Experimental research on detonation combustion of acetylene／air m ixture igniting by low-tem perature plasma

ZHENG Dianfeng
（Dept.of Aeronautics and Astronautics，Peking University，100871 Beijing，China）

In order to obtain the characterization of AC driven low-temperature plasma initiating the detonation combustion，single-trial detonation has been ignited by low-temperature plasma using acetylene as fuel and the air as oxidant in a 1.5 m long detonation tube and with 60mm inner diameter.The air and acetylene were filled in the tube according to Dalton law of additive pressure.The air and acetylene would be mixed uniformly by circulating pump.The discharge time of the AC driven low-temperature plasma igniter was 0.5 ms and the energy was 0.2 J once.Meanwhile，propagation characteristics of flame and pressurewaveweremeasured by ion probes and pressure sensors.The experimental results indicated that low-temperature plasma ignited detonation combustion successfully in the mixture when the excess air coefficients were 1.0 and 0.6；the peak pressure values of detonation waves reduced as the initial pressure and the excess air coefficient went down，meanwhile the DDT（Deflagration to Detonation Transition）time and distance increased.Detonation waves cannot be generated in the detonation tube when the excess air coefficientwas 1.4.

pulse detonation engine；low-temperature plasma；AC driven；acetylene；ignition；detonation

V235

：A

：0367-6234（2015）11-0015-07

10.11918／j.issn.0367-6234.2015.11.003

2014-09-23.

國家自然基金資助（51176001）.

鄭殿峰（1966—），男，高級工程師.

鄭殿峰，nddbb＠126.com.