氢燃料缓燃向爆震转捩过程中波与火焰的匹配特性*

张彭岗，何小民

(1.江苏大学能源与动力工程学院，江苏 镇江212013;2.南京航空航天大学能源与动力学院，江苏 南京210016)

氢气是用于爆震研究最多也是最易起爆的一种燃料，实验研究氢燃料的爆震主要是在爆震管和氢发动机中进行。爆震管主要以脉冲爆震发动机为研究背景，希望尽可能降低缓燃向爆震转捩(DDT)的时间和距离以获得爆震。而氢发动机中为了提高发动机的效率，则要尽可能避免产生爆震。但从爆震的形成机理上看，两者有相似之处，都存在DDT 过程。在爆震管内进行波和火焰相互作用的研究大都以DDT 整个过程为研究对象。P.A.Urtiew 等［1］利用纹影技术对DDT 过程作了详细观察，认为加速运动的层流火焰前产生的压缩波合并形成激波;激波诱导气体二次运动使层流火焰转变为湍流火焰;湍流火焰区内的某处产生爆震。文献［2］中利用激光诱导荧光(PLIF)用于自由基(如OH)的荧光成像技术讨论了波与火焰速度之间的关系，结果表明火焰和压缩波之间的距离先增大后减小;从过爆衰减到C-J爆震模式的阶段中，波与火焰的速度交替变化，最后激波始终处于火焰前面。T.R.Meyer 等［3］研究发现爆震中心出现在壁面和促进扰流的弹簧上，足够强的微爆炸或多个爆炸的相互作用通常会导致DDT 的发生。氢发动机爆震燃烧的研究［4-7］更多的关注于爆震信号诊断、爆震控制的方法上，以及氢发动机运行条件对爆震产生的影响等，但对爆震形成的内在机理研究不多。而DDT 转捩局部压力波和火焰的变化更复杂和剧烈，对于爆震形成过程中压力波和火焰之间相互作用的机理并不完全清楚，如能了解此阶段压力波和火焰相互匹配特性的变化规律，将对理解爆震波的形成具有重要意义。

本文中，在爆震管内利用拍摄速度为50 000 s－1的相机拍摄的图片，结合DDT 转捩部位放置的压力传感器和离子探针分别测量的压力波和火焰信号，研究DDT 过程中压力波和火焰匹配特性的变化规律，为深入理解爆震波形成过程提供新的思路，也为氢发动机爆震的研究提供参考。

1 实验设备及研究参数

图1 实验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

实验系统包括气源、爆震管、充气与循环系统、点火系统和测量系统等，如图1 所示。气源为氢气，余气因数α=1.0。爆震管内气体参数为常压、常温(p=0.101 MPa，T=301 K)。爆震管一端刚性密封，出口端用厚0.5 mm 的膜片密封。爆震管内装有8 片堵塞比为0.3 的方形环状“回”型扰流片，间距δ=120，240 mm，起始位置距刚性封闭端180 mm。扰流片、压力传感器的具体安装位置及拍摄部位(图1中两粗实线之间)如图1 所示。PCB 高频压力传感器(113A22，频响500 kHz)起始安装位置随爆震管内状态的变化而有所差异。压力传感器按间距50 mm 分布在爆震管上，其中第1 个压力传感器距离封闭端800 mm，用P1 表示，依次类推，第7 个传感器用P7 表示。压力传感器信号由NI 公司NIPXI21042Q采集系统记录，该系统共有16 个并行通道，每通道频响为2.5 MHz。另外，为了同时监控火焰信号的变化，在爆震管上布置自行研制的离子探针［8］及采集系统，其中第1 个离子探针距离封闭端750 mm，用ib1 表示，依次类推，第8 个离子探针用ib8 表示，离子探针和压力传感器同截面放置。爆震管侧面加工了一个长1 400 mm、宽60 mm 的槽，上面盖有5 mm 厚的聚碳酸脂板(透光性好，耐压10 MPa 以上)，起始位置距封闭端40 mm。高速摄影机选用柯达Redlake 公司的HG100K 型号(最高速度为105s－1)。点火位置距刚性封闭端60 mm。实验系统照片见文献［9］。

实验时首先用真空泵将爆震管抽成真空，然后分别充入空气和燃料，通过真空表的读数(分压力)确定两者的流量。充气结束后，开启循环泵使燃料和空气达到均匀混合状态，最后点火起爆。所有测试仪器的触发信号都与点火信号同步，即按下点火按钮的同时开始工作或记录数据。

2 研究结果及分析

针对相同状态参数的混气重复进行两次拍摄，实验结果表明爆震管内压力波和火焰的发展规律类似，主要差别是爆震起爆位置(或DDT 距离)不同。下面的讨论选择其中一种实验结果进行。

2.1 数据处理方法

图2 为压力传感器P1 ～P7 的压力时序图，从图中可知，压力波经过P1 ～P7 的过程中，峰值从0.5 MPa 上升到7.14 MPa，到达P7 时压力为2.76 MPa，管内已产生稳定的爆震波，表明爆震管在P1 ～P7 之间的局部区域内完成了缓燃向爆震的转捩，本文中主要针对这个局部区域内压力波和火焰相互之间的匹配特性进行分析。压力波传播速度计算方法:按照特定距离(50 mm)下不同压力传感器获得的压力突跃点的时间差进行计算。

图3 为DDT 高速摄影图，都以点火时刻为计时零点。火焰达到时刻取值方法为:图3(m)中出现白色亮带区域，代表爆震管内出现过爆，此时对应位置P5 处压力峰值的触发时刻为482 788 μs，以过爆压力峰值处的时刻为标准，将482 788 μs 作为图3(m)的拍摄时刻。而每幅图的时间间隔为20 μs，以图3(m)的数据为依据，向上每减小20 μs 即为上幅图片对应的时刻，向下每增加20 μs 为下一幅图片对应的时刻。然后计算每幅图上火焰峰面到封闭端的距离，便可以知道火焰峰面随时间的移动距离，从而求出火焰传播速度。其中图3(p)中火焰峰面已超出拍摄范围，火焰面移动位置取值以图3(a)～(o)为准。在图中标出了7 个压力传感器所处的具体位置。另外，缓燃阶段火焰很弱，处理时把每幅图的对比度和亮度进行调整，以便显示火焰锋面位置。

图2 压力传感器时序图Fig.2 History of pressure transducers

2.2 波与火焰强度匹配特性

波的强度指压力波峰值跃升的时间长短和峰值压力的大小，如图2 所示。火焰的强度主要指燃烧强度，表现为图3 中图片亮度的不同及图4 中信号线触发时刻不同和触发强度的变化。

从图2 中可知，压力传感器从P1 的0.5 MPa 上升到P4 位置的1.5 MPa，压力波峰值逐渐上升同时跃升时间逐渐缩短，说明在此区间管内处于缓燃阶段，但压力波强度在逐渐增大。和P1 ～P4 位置对应的离子探针位置为ib2 ～ib5，由图4 可知，此区域内离子探针的信号非常混乱，没有依照安装顺序依次触发，ib1 ～ib5 的触发顺序依次为ib2、ib5、ib4、ib3、ib1，且触发曲线呈缓慢升高趋势，同时反映在图3(a)～(j)中的亮度逐渐加强，说明火焰的燃烧强度也在逐渐增大。离子探针信号的紊乱反映出缓燃阶段时火焰强度比较小，主要是由于:(1)氢气本身所含的原子数比较少，相对于其他多原子气体来说，燃烧时产生的带电离子比较少;(2)在缓燃阶段时燃烧不完全，氢气在发生化学反应时释放出的带电离子浓度比较低且分布不均匀;(3)从以往的研究中也发现，由于离子探针自身存在着一些缺陷如积碳或探针间距的变化，使火焰信号触发受到离子浓度的制约。

从图3(k)中可以看到，靠近壁面处出现白色亮点，对应图5 中位置P5 处压力从482 733 μs 开始出现跃升，表明热点出现，压力进一步增强。随后热点沿扰流片向管道中间迅速扩散，经过40 μs 随即在图3(m)中出现白色亮带，相应地图5 中经过40 μs 到482 773 μs 时压力又一次开始跃升，到482 788 μs 时跃升至最大值7.14 MPa，代表管内出现过爆。随后爆震波开始衰减，压力波峰值从位置P6的5.35 MPa 降到位置P7 的2.76 MPa，此时图3(n)～(p)的亮度开始变暗。在此过程中离子探针触发顺序为ib6、ib7、ib8，各曲线上升时间比较短。这说明在距离封闭端d=1 000 mm 后管内产生爆震波后，管内燃烧强度急剧增加。产生过爆或爆震时化学反应很剧烈，燃烧时释放的离子浓度比较高，使得爆震区域内的离子探针能及时触发。随着回传爆震波向上游传播，靠近爆震管封闭端的离子探针才被触发。由于DDT 过程中压力波和火焰是正反馈的相互作用过程，因此压力波和火焰的强度也呈现出是相互正反馈的匹配过程:燃烧强度弱时，压力波强度也弱;燃烧强度急剧增加时，压力波强度同时加强。

2.3 波与火焰速度匹配特性

图6 为压力波和火焰速度图，从图中可以看出，在点火经过大约482 600 μs 时，压缩波速度从点火时的音速(约300 m/s)增加到约800 m/s 左右，而火焰速度增加缓慢，从最初的几十米每秒增加到300 m/s 左右，因此导致压缩波和火焰之间的距离逐渐增大。随着火焰的传播，在482 600 ～482 660 μs 间，压缩波开始叠加形成激波达到C-J 爆燃速度(约900 m/s)，火焰的速度增幅(300 ～1 200 m/s)大于激波速度的增幅(约100 m/s)，使火焰的速度高于激波速度。在扰流器内部，扰流片会同时增加火焰湍流强度和激波的强度，使火焰和激波同时加速，但影响火焰速度增幅的因素相对多些:(1)来自扰流片的反射激波对火焰产生扰动作用，增加了Rayleigh-Taylor 面的不稳定性，从而进一步增大了燃烧速率;(2)扰流片诱导的大尺度湍流与壁面边界层诱导的小尺度湍流结合在一起，提高了火焰的燃烧速率［10］;(3)火焰燃烧强度和湍流强度增强致使火焰的长度变大，同时火焰在沿着扰流片传播时会受到扰动，诱导当地温度和压力的升高。另外激波的能量高于压缩波，当激波传播时也会提高当地未燃混气的温度和压力，这些因素均导致火焰速度增幅变大，激波和火焰的距离开始变小。

图3 DDT 过程高速摄影图Fig.3 High-speed imagings of DDT process

482 660 μs 后火焰持续向下游传播，火焰强度和速度的同时增大进一步增强了激波的强度。当一定强度的激波运动到482 748 μs 时(见图3(k))，强激波诱导下在壁面附近出现热点(爆轰中心)。在482 748 ～482 788 μs 之间，由于爆轰中心的出现，激波速度进一步增大，同时热点迅速向管道中间扩散，火焰速度也进一步增大，此时火焰和激波的速度基本上同步增加。在482 788 μs 时，管内出现过爆，这主要由于激波和火焰的相互正反馈机理，激波的强度足以使未燃混气产生自燃，反应区内激波扫过未燃区后呈现多点燃烧的火焰刷(见图3(m))，火焰刷内燃烧的不连续可能造成火焰的速度达到2 250 m/s，大于C-J 速度。同时火焰刷内压力的波动使压力波速度达到2 380 m/s，大于火焰速度和C-J 速度。482 800 μs 后，当燃烧产生的能量不足以维持高速激波的运动时，过爆开始衰减，随后激波和火焰以相同的速度传播，激波和火焰耦合在一起形成稳定的爆震波。在DDT 过程中，压力波和火焰速度大小相互交替进行，最后都等于C-J 速度，这与文献［2］的结果类似。

图4 离子探针时序图Fig.4 History of ionization probes

图5 位置P5 压力时序图Fig.5 History of position P5

图6 波和火焰速度图Fig.6 Time evolution of velocity of wave and flame

2.4 波与火焰位置匹配特性

图7 压力波和火焰位置随时间变化曲线图Fig.7 Time evolution of position of wave and flame

从图2 ～3 分别得出了压力波和火焰到达不同位置的时刻，反过来可以知道不同时刻压力波和火焰在爆震管内所处的位置，如图7 所示。由图7 可以看出:2 条曲线都呈现出上升的趋势，表示随着时间的推移，压力波和火焰沿着爆震管在不断推进。曲线在上升过程中，相同的时刻压力波在爆震管中的位置要大于火焰所处的位置，表明压力波一直位于火焰的前面。但压力波曲线的斜率大于火焰曲线斜率，正如2.3 节的分析表明，火焰速度的增幅大于激波速度的增幅，火焰一直在追赶压力波，逐渐缩小了与压力波的距离。随着时间的发展，2 条曲线相交，相交时刻为482 762 μs，对应位置距封闭端1 027 mm，表示在1 027 mm 位置处火焰赶上压力波。由图5 可知，过爆压力触发的起始时刻为482 773 μs，说明火焰在赶上压力波后仅过了11 μs 爆震管内便开始形成过爆，出现了多点燃烧的区域性爆炸，处于过爆区的位置P5 处的过爆压力则是由于多点爆炸燃烧产生的局部压力升高引起的，而并非压力波的压力。

图7 所示过爆发生时火焰临时处于压力波前面，压力波曲线和火焰曲线呈现出短暂的平行发展，原因可能有:(1)局部区域性爆炸引起的过爆在极短时间和较小空间内释放出巨大的能量，推动火焰面向前运动。局部空间内剧烈燃烧的某些微小火焰团可能会“飞溅”出正在衰减的多点燃烧区，越过火焰面，先行点燃激波前面的未燃混气而发生化学反应，随后火焰面前沿形成的激波才传过来;(2)压力波和火焰的变化非常剧烈，尤其是火焰面的形状极其复杂，发展的火焰面极度弯曲。离子探针和压力传感器虽然同截面放置，但爆震波面不是同时到达同一截面，最先到达的爆震波面可能先触发离子探针;(3)在过爆燃烧的时间内，燃烧峰面还没有汇集形成强激波，随着过爆的衰减，才会有强激波出现。可以设想，随着过爆的衰减，燃烧波前面开始出现强激波，表现在图7 中为压力波曲线将再次与火焰曲线相交。当稳定爆震波出现时，激波会一直位于火焰的前面，2 条曲线将会同步发展，只是在相同时刻压力波曲线对应的位置会略高于火焰曲线所对应的位置。

3 结 论

(1)DDT 过程中压力波和火焰相互作用的正反馈性质决定了彼此之间强度匹配的正反馈特性;

(2)DDT 过程中压力波和火焰的速度表现为交替变化的匹配特性，由于缓燃过程中火焰速度的增幅大于压力波速度的增幅，决定了压力波和火焰的位置特性:火焰面和压力波的距离逐渐缩小，当火焰追赶上激波产生过爆时，火焰暂时位于激波前面。在过爆衰减直至形成稳定爆震波的过程中，虽然火焰和压力波的速度在不断变化，但强激波扫过后混气发生自燃使激波和火焰面耦合在一起，激波位于火焰面前沿。

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