連續旋轉爆轟波傳播過程試驗研究①

王 放，翁春生，李寶星，武郁文，鄭 權

(南京理工大學 瞬態物理國家重點實驗室，南京 210094)

0 引言

爆轟燃燒具有熱循環效率高和能量釋放速率快等優點，因而受到國內外學者的廣泛關注。采用爆轟燃燒方式的發動機主要有脈沖爆轟發動機、駐定斜爆轟發動機、連續旋轉爆轟發動機(CRDE-Continuous Rotating Detonation Engine)。與前兩者相比，CRDE只需單次點火，即可形成連續旋轉爆轟波，從而實現發動機的持續工作[1]，具有結構緊湊、推重比大等優點，已成為國內外的研究熱點。

國內外學者在CRDE試驗研究方面，已開展了大量研究工作，俄羅斯科學院的Bykovskii[2-3]使用H2/Air混合物，在發動機內壁面安裝15°收縮中心錐的試驗裝置上獲得了83 N推力，最大比沖值為2200 s。隨后，Frolov[4-5]在直徑為406 mm的大尺寸旋轉爆轟發動機試驗裝置上，進行了H2/Air組合試驗，發現旋轉爆轟波在傳播過程中存在多種傳播模態，爆轟波波頭個數隨著氧化劑噴注面積增大而減少。

美國波音公司的Dyer[6]使用火花塞成功實現了H2/Air連續旋轉爆轟波的起爆，并發現隨著推進劑質量流量、當量比、燃燒室壓力的變化，爆轟波會形成混合傳播模態，波頭數量隨推進劑質量流量增大而增多。Thomas等[7]在連續旋轉爆轟發動機上，安裝了一個預爆轟管，在預爆轟管中加裝了DDT增強裝置，用來加快DDT過程，成功實現了旋轉爆轟波的單向起爆。

劉世杰等[8-9]發現，切向噴注的熱射流并沒有直接誘導形成旋轉爆轟波，從點火到形成穩定傳播的旋轉爆轟波之間存在時間間隔。張海龍等[10]基于無內柱燃燒室，研究拉瓦爾噴管的收縮比對爆轟波傳播特性的影響，分析了旋轉爆轟與切向不穩性之間的關系。鄭權等[11]通過對旋轉爆轟波傳播機理的分析，驗證了爆轟波存在三種傳播方式：正轉、反轉和雙波對撞；同時，他們開展了液態燃料的CRDE研究[12-13]。鄧利等[14]試驗發現，連續旋轉爆轟波在旋轉過程中能夠適應當量比的變化，其傳播速度與質量流率和燃料與空氣供給的壓力比緊密相關。

盡管國內外學者已經提出了多種起爆連續旋轉爆轟波的方法，且獲得了連續旋轉爆轟波的不同傳播模態，但對于旋轉爆轟波的形成和傳播機理，仍有待于進一步研究。本文采用充填H2/O2混氣的預爆轟管，成功起爆了CRDE，通過高頻壓力傳感器，獲得了連續旋轉爆轟波的起爆、傳播以及熄爆全過程的高頻壓力曲線，分析了旋轉爆轟波的傳播速度和頻率在傳播過程的波動情況以及旋轉爆轟波起爆、傳播和熄爆過程。

1 試驗系統

本文所采用的連續旋轉爆轟發動機如圖1所示，試驗系統主要由燃料供給系統、氧化劑供給系統、連續旋轉爆轟發動機試驗裝置、預爆轟管以及高頻壓力傳感器組成。圖1中，氧化劑供給系統由3路組成；燃料供給系統中氧化劑和燃料單獨噴入前端集氣腔；H2/O2預爆轟管使用高能電火花點火，其內部裝有擾流片，產生的爆轟波以切向噴入CRDE。

本文所采用燃料為H2，氧化劑為Air，燃料和氧化劑單獨噴入前端集氣腔后，氫氣通過均勻布置在內壁面的60個直徑為0.8 mm的圓孔傾斜噴入，空氣通過一段收縮擴張的環縫噴入燃燒室，環縫喉部寬度為1.6 mm。環形燃燒室的內外徑分別為78 mm和88 mm，燃燒室厚度為5 mm，燃燒室出口為常溫常壓。測量系統所用的高頻壓力傳感器分別標記為P1、P2，如圖2所示。高頻壓力傳感器P1安裝在預爆轟管噴注位置，從發動機出口方向逆時針觀測，與噴注位置的角度為0°；高頻壓力傳感器P2安裝在與預爆轟管噴注位置成60°的位置。高頻壓力傳感器的采集頻率為500 kHz，傳感器的上升時間小于1 μs。

圖1 連續旋轉爆轟發動機試驗裝置

圖2 高頻壓力傳感器安裝位置

2 試驗結果分析

2.1 CRDE工作過程分析

試驗采用預爆轟管起爆，試驗控制時序見圖3。首先，向預爆轟管內噴注氫氣和氧氣，打開CRDE數據采集系統一段時間后，分別向CRDE分別噴注氫氣和空氣；然后，關閉預爆轟管的氫氣和氧氣，隨后對預爆轟管進行點火，點火后在預爆轟管內形成初始爆轟波進入CRDE燃燒室，引爆噴注的氫氣和空氣混合物，形成自持傳播的連續旋轉爆轟波，爆轟產物從出口排出。在發動機熄火過程中，首先切斷發動機的燃料，繼續注入空氣，以吹出燃燒室內的剩余燃料，直至完全熄火。

圖3 CRDE試驗時序圖

當H2、Air質量流量為11.14、513.11 g/s時，成功起爆CRDE，且得到較好的試驗結果，此時當量比為0.76。CRDE工作過程P2點壓力分布如圖4所示。696.87 ms時，采集到了第一個壓力峰值，約為2.4 MPa，該峰值即為預爆轟管所產生的初始爆轟波進入CRDE后傳播至測壓點P2時的壓力；910 ms時，高頻壓力信號開始衰減，發動機逐漸熄火。圖5為截取自圖4中850～855 ms范圍內的高頻壓力曲線。由圖5可見，壓力波動較為均勻穩定。在整個試驗過程中，高頻壓力信號持續存在并穩定波動，說明本次試驗成功起爆，并實現了連續旋轉爆轟波的自持傳播。

圖4 CRDE工作全程壓力曲線

圖5 局部壓力放大圖

2.2 CRDE起爆過程分析

圖6是連續旋轉爆轟波起爆過程。可見，697 ms時，預爆轟管所產生的初始爆轟波進入CRDE，初始爆轟波的壓力峰值為3.7 MPa，在該爆轟波進入CRDE內部時，并未在CRDE內立刻形成連續旋轉爆轟波，經歷了約17 ms后，在714 ms時，P2點的壓力峰值上升至2 MPa以上，逐漸形成穩定傳播的爆轟波，這與Kindracki等[15]所測得的高頻壓力信號定性一致。在697～714 ms內，燃燒室內經歷了一個爆燃轉爆轟過程，測量點P1和P2的壓力峰值出現的順序多次更替。可見，燃燒波在膨脹解耦和爆轟波重新形成的過程中不斷碰撞、湮滅，再形成，沒有穩定的傳播方向。

圖7是CRDE起爆時P1點壓力峰值分布圖，圖7中的藍色折線為壓力峰值變化圖，紅色柱狀圖對應壓力峰值出現的時間。由圖7可見，壓力峰值的分布由疏到密，其數值也逐漸增大，說明CRDE內壓縮波系逐漸匯合增強，不斷點燃CRDE內部的燃料，至714 ms時，開始形成壓力較高的前導激波，不斷誘導引爆可燃混合氣體，最終形成穩定的旋轉爆轟波。

圖6 連續旋轉爆轟波起爆時壓力曲線

圖8是初始爆轟波剛傳入CRDE的壓力曲線，預爆轟管產生的爆轟波噴入CRDE環形燃燒室后，先后經過了P1和P2，兩者的第一個壓力峰值的時間間隔是0.03 ms，通過P1和P2的距離和時間間隔計算得到預爆轟管傳入的爆轟波的初始速度約為1535.11 m/s。由圖8可見，P2點測得的壓力峰值比P1點的壓力峰值虧損了35.13%，且再往后壓力驟降，說明初始爆轟波進入CRDE后，并沒有維持爆轟波的形態繼續傳播，而是迅速解耦為膨脹波。這是由于預爆轟管內產生的爆轟波從一個狹窄的入口噴入CRDE，因為CRDE的通道面積大于預爆轟管的噴孔面積，所以前導激波進入后經歷一個面積突擴的階段，在CRDE內立即膨脹解耦，壓力驟降，且產生膨脹擾動。

圖8 初始爆轟波壓力曲線

2.3 連續旋轉爆轟波傳播過程分析

CRDW形成以后，在燃燒室內高速周向傳播，不斷引爆預混可燃氣體，同時波后的壓力逐漸衰減，新鮮燃料不斷填充，從而使得旋轉爆轟波得以自持傳播。圖9是旋轉爆轟波傳播過程中P1和P2所測得的高頻壓力曲線。從圖9中可看到，壓力峰值的時序為P2-P1，此時爆轟波在燃燒室內以順時針方向傳播，與預爆轟管產生的初始爆轟波方向相反。由此表明，爆轟波最終的傳播方向與初始爆轟波方向無關。

圖9 CRDW傳播過程壓力曲線

由于試驗所采用的高頻壓力傳感器響應頻率較高，可精確捕捉到爆震波峰值出現的準確時間。因此，基于同一點P1所測得的兩個相鄰峰值之間的時間間隔，可計算出旋轉爆轟波的瞬時傳播速度。

如圖9所示，根據兩波峰間的時間間隔Δt，由式(1)可計算得圖中第i個周期內旋轉爆轟波的瞬時傳播速度為1439.17 m/s，波動范圍為1424.33～1454.32 m/s。

(1)

圖10分別為P1和P2點所測高頻壓力信號的FFT結果。由圖10可知，P1和P2點所測的高頻壓力信號的主頻均為5211.25 Hz，計算得到連續旋轉爆轟波傳播平均波速為1439.97 m/s。從圖10可看出，燃燒室內壓力信號分布比較集中，且P1和P2壓力測量信號的FFT結果一致，由此可判斷當前工況下CRDE是穩定工作的。

圖11是CRDE穩定工作時的連續旋轉爆轟波瞬時速度值分布圖。選取的時間為0.73～0.82 s，瞬時速度值通過式(1)計算得出。

(a) P1點傅里葉變換

(b) P2點傅里葉變換

圖11 CRDE穩定工作時CRDW瞬時速度值圖

由圖11可見，兩個測量點的瞬時速度值分布較為集中，且保持連續，說明CRDE工作過程中以穩定的單波模態傳播。經計算所得，CRDE穩定工作時兩測量點P1和P2的CRDW瞬時速度平均值分別為1434.9 m/s和1431.8 m/s，如表1所示。P2點的速度標準差稍大，說明該處的速度波動較P1更大，瞬時速度平均值與FFT結果所計算的速度值1439.97 m/s的誤差均在1%以內，說明這兩種計算方法均可較準確地計算CRDW的平均速度大小。

表1 CRDE穩定工作時兩測量點CRDW瞬時速度值

2.4 連續旋轉爆轟波熄爆過程

圖12為CRDE熄火過程P1點的壓力曲線。試驗中，通過切斷H2供應，且繼續噴入空氣，來實現CRDE熄火。圖13是CRDW熄爆過程P1點壓力峰值和速度圖。

圖12 CRDW熄爆過程

圖13 CRDW熄爆過程P1點壓力峰值和速度圖

由圖12可見，905 ms時，P1點的壓力峰值為3.3 MPa。從圖13中可看到，905 ms時，爆轟波速度為1408.7 m/s，根據速度和壓力可判斷，在905 ms時，仍存在爆轟波。從900～905 ms，CRDE內仍存在周期性傳播的爆轟波，905 ms以后，壓力曲線逐漸下降，至920 ms時，CRDE內壓力逐漸趨于環境氣壓，說明CRDW已經熄爆。如圖13所示，在熄爆過程中，P1點高頻壓力傳感器所測壓力峰值整體呈現出波動范圍變小、數值迅速降低的趨勢。同時，速度波動也逐漸增大，但速度的下降延遲于壓力的下降。可見，爆轟波并沒有立即解耦，由于H2不再供給，CRDE內的可燃混氣被迅速消耗，CRDW在旋轉數周后，最終因燃料耗盡而熄爆。此時，CRDE內爆轟產物仍有較大的周向速度。因此，仍存在周期性壓力振蕩。

3 結論

(1)在當量比為0.76的工況下，試驗成功起爆，并獲得了穩定傳播的連續旋轉爆轟波，測得的連續旋轉爆轟波傳播主頻為5211.25 Hz，波速為1439.97 m/s。

(2)試驗發現，預爆轟管點火時產生的初始爆轟波切向噴入CRDE后，并不能立即起爆CRDE，還要經歷一段爆燃轉爆轟的過程。在此過程中，壓力峰值的分布由疏到密，其數值也逐漸增大，說明其內壓縮波系逐漸匯合增強，直至開始形成前導激波，不斷誘導引爆可燃混氣，最終形成爆轟波。

(3)通過試驗數據分析了連續旋轉爆轟波的熄爆過程。熄爆過程中測量點的壓力峰值整體呈現出波動范圍變小、數值迅速降低的趨勢；同時，速度波動也逐漸增大，但速度的下降延遲于壓力的下降。可見，爆轟波并沒有立即解耦，而是在旋轉數周后，才完全熄爆。

本文所做研究對連續旋轉爆轟發動機的成功起爆、自持傳播和安全熄爆具有重要意義，可為連續旋轉爆轟發動機的結構設計和理論研究提供參考。