APP下载

矩形管两相脉冲爆轰探索性实验研究

2013-10-16彭畅新陈文娟

火工品 2013年2期
关键词:激波矩形汽油

张 群,范 玮,袁 成,彭畅新,陈文娟

(1.西北工业大学动力与能源学院,陕西 西安,710072;2.中国航空工业发展研究中心,北京,100012)

脉冲爆轰燃烧(PDC)是一种高强度、高效率、低污染的燃烧方式,这种新型燃烧方式在能源、动力、化工、加工等领域有着广阔的应用前景。它可用于发电用的高效煤燃烧器及高效天然气燃烧器、陶瓷生产用的先进材料合成技术、提高材料耐磨耐高温的热喷涂技术、城市垃圾的先进处理技术、磁流体发电技术、强噪声发生器以及空天推进的脉冲爆轰发动机等[1-2]。

由于受到目前计算机能力及化学反应机理的限制,在矩形管中开展爆轰模拟难度要远远大于圆管爆轰[3-4];而在实验研究中,由于矩形管几何条件引起气动不均匀性、散热不均匀性以及十分复杂的波动反射现象,使得爆轰的起爆与传播就更加困难,如果采用液态燃料进行两相爆轰,难度更大。因此,目前对绝大多数脉冲爆轰研究都是针对推进装置在圆管中进行的,而矩形管爆轰研究几乎都是采用气态混合物进行的单次爆轰[5-6]。然而,在用作并联推进装置或其他燃气生成器时,圆形爆轰管具有面积利用率低及能量密度分布不均匀等缺点,因此工程上迫切需要发展矩形截面爆轰管。当爆轰波在矩形管中起爆传播时,将会产生极为复杂的各向异性流动与波动现象,因此,开展矩形管内两相脉冲爆轰研究不仅具有重要的学术意义,也具有显著的工程价值。

1 实验装置与方法

矩形两相脉冲爆轰实验装置示意图如图1所示,由供油系统、供气系统、爆轰点火及频率控制系统、爆轰管、压力测量系统以及数据采集系统等组成。

图1 矩形两相脉冲爆轰实验装置示意图Fig.1 Experimental setup of two-phase pulse detonation in a rectangular tube

爆轰管由头部进气段、混合段、点火段、爆轰段和出口段组成。爆轰管头部封闭,尾端敞口,截面尺寸为68mm×51mm,长宽比为4∶3,总长2 300mm,由普通碳钢加工而成,在混合段、点火段及爆轰段内部安装了矩形环状扰流片用来促进爆轰的形成。在头部进气段,燃油采用离心式喷嘴喷入,空气采用切向进气方式;在点火段侧壁面处安装火花塞,由频率在1~100Hz范围内连续可调的爆轰点火及频率控制系统控制起爆,火花塞点火能量为50mJ。实验采用汽油为燃料,压缩空气为氧化剂,供气、供油由相应的电动调节阀门控制,供油量、供气量由涡轮流量计测定。在距离点火器856mm、1 056mm、1 170mm、1 265mm、1 453mm、1 553mm的爆轰段和出口段上安装了6个压电晶体式压力传感器,分别定义为P1~P6,用以监测爆轰管内的压力变化和爆轰形成的过程。

2 实验结果与分析

图2(a)~(e)分别是在频率为6Hz、8Hz、10Hz、12Hz和15Hz时测得的爆轰管内燃气压力波形图,从图中可见,在上述各工作频率下,爆轰管上各测点测得的压力波形均匀,说明所设计的爆轰管工作稳定。

图2 不同频率下各测点测得的燃气压力波形图Fig.2 Pressure histories of different positions at various detonation frequencies

图3为不同频率下平均峰值压力随轴向距离的变化。从图3中可见,在各不同频率下,平均峰值压力先随着轴向距离的增大而逐渐增大,其中在P3位置处压力增加最为迅速,在P4位置处平均峰值压力达到最大,此后在P5、P6位置处燃气压力迅速降低。图3中,在P4位置处,当频率为6Hz和8Hz时,燃气平均峰值压力分别为1.88MPa和1.78MPa,达到或接近汽油/空气的理论爆轰压力值1.86MPa,说明在本实验条件下已经形成了充分发展的脉冲爆轰波,这同时也表明本实验条件下爆燃向爆轰转变距离在1 170~1 265mm之间。当爆轰频率分别为6Hz、8Hz、10Hz、12Hz和15Hz时,P5位置处的燃气平均峰值压力分别为0.92 MPa、0.90 MPa、0.89 MPa、0.81 MPa和0.66 MPa,相比P4位置处的燃气压力显著降低,这是由于P5、P6位于喷管出口段,其内部未安装矩形环状扰流片,因此该位置气流湍流程度减弱,化学反应速率降低,燃烧反应所释放的能量不足以支持爆轰波的传播,因此导致爆轰波强度减弱。由此可见,爆轰管内安装强化湍流的扰流装置对于爆轰波的形成以及自持传播具有重要的促进作用,即使已经形成了充分发展的自持爆轰波,一旦缺少促进火焰加速的扰流装置,爆轰波将会衰减。

图4为P4位置处爆轰波平均峰值压力随爆轰频率的变化。

图3 不同频率下平均峰值压力随轴向距离的变化Fig.3 The variation of average peak pressures with the axis position

图4 测点4处平均峰值压力随爆轰频率的变化Fig.4 The variation of average peak pressures at the position of P4 with frequency

从图4中可见,当爆轰频率分别6Hz、8Hz、10Hz、12Hz和15Hz时,在P4位置处测得的爆轰波平均峰值压力分别为1.88MPa、1.78MPa、1.53MPa、1.41MPa和1.26MPa。可以看出,随着爆轰频率的增加,实验测得的爆轰波平均峰值压力逐渐减小,除了6Hz及8Hz两种较低频率工况外,在工作频率为10Hz、12Hz和15Hz时,所测得的燃气平均峰值压力均低于理论爆轰压力值,然而又远远高于快速火焰的燃气压力(一般小于0.5MPa),说明形成了强度较弱的准稳态爆轰波。一般来说,油气比一定时,爆轰波峰值压力为一定值,但这是基于单次气相爆轰而言的,在单次爆轰中,爆轰管内为预填充的静止可爆均匀混气,爆轰过程不受气流条件的影响。而在多次脉冲爆轰中,一次爆轰过程要受到前后爆轰过程的影响,且随着爆轰频率的变化,爆轰管内的气流条件也相应变化。当爆轰频率增大时,供油、供气速度相应增大,液态汽油雾化条件改善,湍流度增大,对爆轰形成有利;但另一方面,随着爆轰频率的增大,气流速度相应增大,爆轰循环周期变短,汽油雾化、蒸发与混合时间也相应变短,使得在油气条件尚未准备充分时,就开始了爆轰过程,从而在爆轰过程中,扩散反应的比例变大,预混反应的比例变小,并由此引起反应不完全及反应速度变慢,并最终对爆轰形成产生较大的负面影响。此外,由于理论爆轰压力值是针对气相汽油与空气混合物的计算结果,而实验中汽油是液态的,汽油蒸发时吸收汽化潜热也会导致实验值比理论计算值低。

图5为图2(a)中P4位置处的第5个爆轰压力波形沿时间方向的展开图,由图5可见,压力波上升过程极为迅速,为微秒量级,爆轰波峰值压力达到了2.04MPa,这进一步说明在本实验条件下已经形成了充分发展的爆轰波。

图5 图2(a)中P4位置处的第5个压力波形展开图Fig.5 Pressure history of the fifth wave at the position of P4 in Fig.2(a)

图6为实验中拍摄的矩形爆轰管出口火焰照片。从图中可见,在爆轰管出口处,爆轰波退化为主激波从管口排出;随着主激波继续向下游传播,在主激波后的区域又形成了第2道激波(二次激波)。图中清晰地显示了由于激波而引起的气流密度的急剧变化,这为前面的数值模拟结果[7]提供了实验验证。

图6 矩形爆轰管出口火焰照片Fig.6 The photo of flame at the exit of the rectangular tube

3 结论

(1)成功进行了以汽油为燃料、以空气为氧化剂的矩形管两相脉冲爆轰原理性实验,所测量的爆轰波压力接近充分发展的爆轰波,爆轰管最高工作频率达到15Hz。

(2)爆轰管内安装强化湍流的扰流装置对于爆轰波的形成以及自持传播具有重要的促进作用,即使已经形成了充分发展的自持爆轰波,一旦缺少促进火焰加速的扰流装置,爆轰波将会衰减。

(3)随着爆轰频率的增加,液态燃油的雾化、蒸发与混合时间相应变短,引起反应不完全及反应速度变慢,导致平均爆轰波峰值压力逐渐减小。

[1]Anthony J D.A review of PDE development for propulsion applications [R].AIAA 2007-985,2007.

[2]Kailasanath K.Research on pulse detonation combustion systems -a status report[R].AIAA 2009-631,2009.

[3]Keitaro E,Nobuyuki T,Koichi H.Three-dimensional CJ detonation in rectangular tube[R].AIAA 2004-311,2004.

[4]Dou H S,Tsai H M,Khoo B C,et al.Simulations of detonation wave propagation in rectangular ducts using a three-dimensional WENO scheme[J].Combustion and Flame,2008(154):644-659.

[5]Hanana M,Lefebvre M H,Van P J.Pressure profiles in detonation cells with rectangular and diagonal structures[J].Shock Waves,2001 (11):77-88.

[6]Satoshi S,Keitaro E,Hiroyuki S et al.Numerical and experimental study of detonation propagation in a rectangular tube with obstacles[R].AIAA 2004-310,2004.

[7]李强,范玮,严传俊.脉冲爆震火箭发动机数值模拟研究[J].机械科学与技术,2006,25(10):1 198-1 201,1 256.

猜你喜欢

激波矩形汽油
矩形面积的特殊求法
一种基于聚类分析的二维激波模式识别算法
基于HIFiRE-2超燃发动机内流道的激波边界层干扰分析
化归矩形证直角
斜激波入射V形钝前缘溢流口激波干扰研究
适于可压缩多尺度流动的紧致型激波捕捉格式
从矩形内一点说起
大数据是“原油”,不是“汽油”
汽油直接喷射系统