分叉管內爆轟波傳播特性實驗研究

魏雁昕　李寶星　翁春生

摘要：為了研究爆轟波在分叉管內的傳播特性，對以H₂/O₂為燃料的分叉式脈沖爆轟發動機進行了實驗研究。分別測試了不同工況條件下管內不同采樣點爆轟波壓力，并對其變化過程進行了深入分析。實驗結果表明：爆轟波在分叉管內傳播過程中，分叉口下游主管道內爆轟波在經過6倍管徑長度的過渡區后恢復穩定，爆轟強度不變。爆轟波繞射進入分叉支管2，并且在管壁發生多次碰撞和反射，形成過驅爆轟，在燃料充分填充的條件下可以恢復穩定爆轟，爆轟強度與主管道內爆轟波強度相同。在分叉支管2內加裝擾流片對加快形成爆轟的影響甚小，分叉支管2內燃料填充率是形成穩定爆轟的關鍵。

關鍵詞：爆轟波；分叉管；二次點火；進氣壓力；擾流片

中圖分類號：TJ763；V231.2 文獻標識碼：A 文章編號：1673-5048（2017）02-0049-06

0引言

爆轟波在傳播過程中，流通通道突然變化時會發生繞射。爆轟波繞射是爆轟波在管道內傳播過程中的常見現象，一直受到眾多學者的關注。首先，從爆轟推進技術的應用角度來看，研究爆轟波在分叉支管內的繞射及演變情況有利于實現脈沖爆轟發動機（Pluse Detonation Engine，PDE）串聯點火起爆，降低點火能量，縮短起爆時間和距離，提高脈沖爆轟發動機工作頻率。其次，研究爆轟波在管道內的繞射現象對于工業安全具有重要意義，明確爆轟波在復雜管路內的傳播情況，有利于抑制爆轟的產生，降低工業生產中的風險。

爆轟波在分叉管路內繞射現象，涉及誘導激波、爆轟波解耦、化學反應區和幾何壁面的相互干擾等相關因素。臨界管徑概念是研究爆轟波在管路內繞射的重要理論依據，即在其他參數確定的條件下，傳播管道的管徑存在一個臨界值，當管徑小于臨界管徑時，爆轟波會發生熄爆現象。TJi Jian-ling等人采用航空煤油為燃料、O₂為氧化劑，進行了變截面氣液兩相PDE實驗研究，結果表明：收斂結構可以提高爆轟波壓力，大管和小管存在一個最佳管徑比，可以保證爆轟波在變截面流通通道內保持穩定傳播。Hoke J等人以航空汽油為燃料、N₂O為氧化劑，進行了PDE預爆轟點火實驗研究，分析了點火過程對發動機推力的影響，結果表明：采用預爆轟點火方式下發動機推力相較于傳統點火方式有明顯提高。Pintgen F等人通過實驗研究，觀察到爆轟波在兩種不同混合氣體中的繞射過程，采用激光誘導熒光成像技術獲得了管內不同時刻OH原子團的分布情況，清晰反映了爆轟波在解耦和二次點火過程中的傳播情況。Driscoll R等人采用C₂H₄/O₂/N₂，預混合氣體進行了正交支管預爆轟點火實驗研究，分析了支管不同管長和管徑對點火過程的影響，保持初始條件不變，改變支管的管徑和發動機的工作頻率對爆轟波的波速和壓力峰值沒有影響。Smolinska A等人通過實驗和數值模擬，得到爆轟波繞射后的胞格結構，明確地反映了爆轟波的繞射過程。GuoChangming等人對爆轟波在分叉管內傳播特征進行了實驗和數值研究，對爆轟波衰減、馬赫反射和爆轟波二次點火等過程進行了討論。Hopper D R等人對分叉式PDE進行了實驗研究，分析了正交排布和傾斜排布兩種分叉管排布方式對爆轟波傳播的影響，證明存在最小分叉管管長，有效降低爆轟波的能量損失，提高PDE串聯點火效率。王昌建等人以H₂/O₂/Ar預混氣體為燃料，在不同初始壓力條件下對爆轟波在矩形截面T型管內傳播過程進行了實驗研究，結果表明：T型分叉管對穩定傳播爆轟波的影響是局部的，在分叉口下游區域（距分叉口4～6倍管徑處），爆轟波恢復穩定傳播。潘振華。等人利用帶化學反應的二維Euler方程，對H₂，O₂，Ar體積比為2：1：1的混合氣體在T型管內流動進行了數值模擬，分析了靜止系統和流動系統中爆轟波繞射過程，迎風面和順風面爆轟波胞格結構存在明顯差異。盧秦尉等人利用三階TVD格式對H₂/O₂/Ar混合氣體爆轟波在分叉管內傳播過程進行了二維數值計算，分析了不同組分濃度條件下爆轟波在分叉處熄爆解耦現象，研究了稀釋氬氣對爆轟波繞射的影響。范瑋等人對多分支管PDE進行了實驗研究，分析了轉折角度對于爆轟波強度的影響，轉角越小，爆轟波在分支轉彎處壓力損失越小，分叉支管內爆轟波壓力越高，采用漸變的過渡方式，對于維持爆轟波的強度是有益的。

本文以H₂/O₂，為燃料，以PDE為實驗平臺，在PDE尾部已經形成穩定爆轟位置加裝T型分叉支管結構進行實驗研究，分析了不同填充條件和擾流片對爆轟波繞射的影響。

1實驗系統

1.1實驗裝置

實驗系統主要包括燃料供給系統、點火系統、數據采集系統和PDE主體結構和分叉支管。圖1為爆轟波在分叉支管內傳播特性研究實驗裝置示意圖。

實驗平臺主體是內徑30 mm的脈沖爆轟發動機，主體長度1 200 mm，H₂和O₂，采用對撞噴注方式噴入脈沖爆轟發動機混合室。使用高能等離子體點火，點火位置距離發動機封閉端190 mm，實驗中只進行單次點火，針對一個周期內的爆轟波傳播情況進行研究。為快速形成穩定傳播的爆轟波，在點火頭下游70 mm處安裝有長度為250 mm的擾流片。點火頭下游爆轟管內依次布置了4個PCB動態壓力傳感器，距離點火位置分別為400mm、500 mm、800 mm和900 mm。在距離點火頭700 mm處為一個三通結構，連接一個長度700mm、內徑30 mm的分叉支管2。在分叉支管2上距離三通分叉處200 mm和440 mm分別布置了2個PCB動態壓力傳感器。脈沖爆轟發動機內HJO₂填充時間，以及點火時序均由一個自行設計的八通道單片機進行控制，各通道之間的最小時間間隔為5 ms。高頻壓力采集系統由動態壓力傳感器、數據傳輸線、采集卡和濾波器等設備與電腦相連，并采用一個自主開發的采集軟件進行控制。高頻數據采集系統共有8個通道，采樣頻率設定為1MS/s。高頻壓力傳感器量程為3 450 kPa，靈敏度為1.45 mV/kPa，分辨率為0.014 kPa，諧振頻率大于等于500 kHz，上升時間小于等于1.0μs，低頻響應0.01 Hz，非線性小于等于1.0%FS，工作溫度范圍為-73～+135℃，靈敏度溫度系數小于等于0.054%/℃。由于爆轟波溫度遠高于壓力傳感器的工作條件，會導致壓力傳感器測試的數據有大的漂移，為此，在實驗中采用冷卻水套對傳感器進行冷卻，通過不斷注入的冷卻水將溫度保持在傳感器的工作范圍之內。