凝胶汽油在脉冲爆轰发动机中的爆轰特性实验①

胡洪波，翁春生，白桥栋，杨建鲁

(南京理工大学瞬态物理国家重点实验室，南京 210094)

凝胶汽油在脉冲爆轰发动机中的爆轰特性实验①

胡洪波，翁春生，白桥栋，杨建鲁

(南京理工大学瞬态物理国家重点实验室，南京 210094)

为探索凝胶燃料在脉冲爆轰发动机中应用的可行性，设计了凝胶汽油脉冲爆轰火箭发动机实验系统。对不同氧含量和凝胶汽油供给工况下的多循环脉冲爆轰发动机进行了热态实验，分析了氧含量和燃料供给工况对爆轰段爆轰压力和波传播速度的影响。实验结果表明，使用凝胶汽油的脉冲爆轰火箭发动机能稳定工作;在氧气质量百分比为42%、凝胶汽油/雾化空气喷射压力系数为2.5/1工况下，距离发动机点火位置770 mm处的爆轰压力均值为2.02 MPa，爆轰波速度均值为1 124 m/s。在相同凝胶汽油供给条件下，增加氧含量能够获得更大的爆轰压力和爆轰波速度。研究结果对凝胶燃料和脉冲爆轰发动机应用研究具有参考意义。

脉冲爆轰发动机;凝胶汽油;爆轰;热态实验

0 引言

使用凝胶剂将液体燃料胶凝化形成的凝胶燃料是一种兼具固体燃料和液体燃料优点的新型燃料，安全性好、能量管理灵活等［1-3］，在未来新型动力装置中具有广泛的应用前景。目前，对凝胶燃料的研究主要集中在凝胶燃料流动、雾化与燃烧等基础物性方面［4-6］，有关凝胶燃料在发动机中应用的研究尚不多见［7-10］。由于凝胶剂的作用，凝胶燃料的粘度比液体基燃料高很多，对组织凝胶燃料高效燃烧提出了更高要求。因此，设计或选择适合凝胶燃料的发动机是实现凝胶燃料工程化应用的关键之一。

脉冲爆轰发动机因其结构简单、热效率高等优点，有望成为新一代动力装置［11-13］。将凝胶燃料应用于脉冲爆轰发动机，有可能提高凝胶燃料燃烧的热效率。此外，脉冲爆轰发动机以爆轰模式燃烧，其燃烧过程中存在的高强度剪切气流有助于燃料液滴的蒸发与剥离，有可能弥补凝胶燃料液滴蒸发、燃烧困难的不足。因此，研究凝胶燃料在脉冲爆轰发动机中的爆轰特性，对推进凝胶燃料工程化应用具有现实意义。截至目前，脉冲爆轰发动机使用的燃料多为液体燃料。文献［14］对以煤油为燃料的多循环脉冲爆轰发动机进行了实验研究。文献［15］对以汽油为燃料的脉冲爆轰火箭发动机进行了实验研究。但尚未见到凝胶燃料在多循环脉冲爆轰发动机中应用的相关报道。

本文以SiO2/汽油凝胶为燃料，设计了凝胶汽油脉冲爆轰火箭发动机实验系统，通过改变凝胶汽油在发动机中试验的工况，对凝胶汽油在多循环脉冲爆轰火箭发动机中的应用进行了实验探索。

1 实验系统

如图1所示，凝胶汽油脉冲爆轰火箭发动机实验系统主要组成为爆轰发动机进气孔、点火装置、爆轰管、凝胶汽油喷射雾化装置、气源及数据采集系统等。爆轰管长为1.2 m，由混合段、点火段和爆轰室构成。其中，爆轰室内安装有扰流装置，以促进燃烧转爆轰形成。

图1 凝胶汽油脉冲爆轰火箭发动机系统示意图Fig.1 Schematic of pulse detonation rocket engine with gelled gasolines

对于使用固体颗粒凝胶剂的凝胶汽油，实验过程中使用实心喷嘴、精细雾化喷嘴等易发生堵塞。因此，凝胶汽油喷射雾化装置采用自行设计的高效喷嘴来实现爆轰发动机凝胶汽油燃料填充，该喷嘴利用雾化空气与凝胶汽油的相互作用来增强凝胶汽油的雾化效果，并通过调节雾化空气和凝胶汽油喷射压力来改变燃料供给。爆轰压力和波传播速度测量由数据采集系统和安装在爆轰管上的动态压力传感器p1(距点火位置615 mm)、p2(距点火位置770 mm)来实现。实验数据采集频率为500 kHz。

2 实验结果与讨论

2.1 凝胶汽油粘度与剪切速率的关系

采用超声波振荡与机械搅拌相结合的方法，制备实验用凝胶汽油。其中，凝胶剂纳米气相SiO2的比表面积为200 m2/g，液体基燃料为汽油，其粘度为10-4量级。凝胶剂含量占合成凝胶汽油质量的5%。凝胶汽油的粘度对喷射雾化有较大影响，而雾化效果直接影响脉冲爆轰发动机的燃烧转爆轰过程。因此，首先对制备的凝胶汽油粘度进行了实验测定。图2给出了不同剪切速率下凝胶汽油与液体汽油粘度。由图2可看出，凝胶汽油具有明显的剪切变稀特性，其粘度随剪切速率增大而降低。在0.1 s-1的较低剪切速率下，凝胶汽油的粘度为2 637 Pa·s，比液体汽油的粘度高出6个数量级。在4 901 s-1的较高剪切速率下，凝胶汽油的粘度为0.018 Pa·s，仍比液体汽油的高出许多。

图2不同剪切速率γ·下凝胶汽油与液体汽油粘度ηFig.2 Viscosities of gelled gasolines and liquid gasolines at different shear rates

2.2 不同工况下的实验结果分析

通过改变填充气体的氧含量和凝胶汽油/雾化空气喷射压力系数，对使用凝胶汽油的脉冲爆轰火箭发动机进行了不同工况的热态实验，其结果列于表1。

由表1可见，凝胶汽油在不同实验工况下p1、p2位置的脉冲压力峰值介于0.52～4.11 MPa。其中，实验5、6、7 和 8 中 p2 位置的压力峰值介于 0.85～2.58 MPa，p1、p2间波传播平均速度介于945～1 435 m/s。图3是凝胶汽油实验6工况下p1、p2位置压力随时间的变化曲线。由于燃料难以完全均匀分布，爆轰过程十分复杂，单次爆轰波压力大小不一。如图3所示，p1、p2 位置对应的压力峰值分别介于 1.64～3.98 MPa和1.11～ 2.58 MPa;p1、p2 间波传播平均速度介于1 047～1 174 m/s。对p2位置在0.5 s内的压力峰值和p1、p2间波传播速度取平均值，得到爆轰压力均值为2.02 MPa，爆轰波速度均值为 1 124 m/s。图 3(c)显示，p2位置压力从初始压力上升至峰值压力的时间为4 μs。综合考虑压力上升过程、压力峰值及波传播速度，认为爆轰已形成。

表1 不同氧含量和凝胶汽油供给工况下p1、p2位置的压力和波传播速度Table 1 Pressures and wave velocities of p1 and p2 positions under different oxygen concent and fuel supply

图3 实验6 p1、p2位置压力随时间的变化Fig.3 Pressures vs time of p1 and p2 positions of No.6 experment

为便于比较，图4给出了将液体汽油作为燃料进行脉冲爆轰火箭发动机热态实验时，p1、p2位置压力随时间的变化曲线。其对应实验工况的氧含量为37%，液体汽油/雾化空气喷射压力系数为1/1。由图4 可看出，p1 位置的压力峰值介于 2.15～3.15 MPa，p2位置的压力峰值介于 2.06～2.85 MPa。p1、p2 位置间波传播平均速度介于1 428～1 667 m/s，表明爆轰管内已形成爆轰波。

图4 燃料为液体汽油时p1、p2位置压力随时间的变化Fig.4 Pressure vs time of p1 and p2 positions using liquid gasolines as fules

图5给出了凝胶汽油与液体汽油雾化粒径分布的实验结果。该结果为图3、图4对应雾化工况下自由空间喷射雾化时，某截面不同位置的雾化测量结果。可看出，液体汽油雾化粒径分布更宽、更均匀，有利于爆轰波形成。尽管凝胶汽油液滴与液体汽油液滴的索泰尔平均粒径均值大小相近，但其爆轰压力和爆轰波传播速度均比液体汽油的低，其原因主要在于凝胶汽油粘度大、蒸发与剥离更加困难，从而使得爆轰压力和波传播速度低。

图5 凝胶汽油与液体汽油雾化粒径分布Fig.5 Particle size distributions of atomizing with gelled gasolines and liquid gasolines

2.3 氧含量和凝胶汽油喷射雾化条件对爆轰管内压力和波传播速度的影响

由于各个压力波传播速度和压力峰值大小不一，为方便比较，对0.5 s内脉冲压力波传播速度和压力峰值取均值进行分析。图6给出了不同氧含量和凝胶汽油供给工况下，p2位置压力峰值和p1、p2间波传播速度的平均值。实验1的压力峰值和波传播速度均值分别为0.61 MPa和641 m/s。与实验1相比，实验2氧含量由32%提高到37%，其压力峰值和波传播速度均值分别增加了0.38 MPa和162 m/s。实验4的压力峰值和波传播速度均值分别为1.19 MPa和929 m/s。与实验4相比，实验5氧含量由37%提高到42%，其压力峰值和波传播速度均值分别增加了0.66 MPa和317 m/s。可见，由于氧含量增加，燃料、氧化剂燃烧反应活性增强，使得压力峰值和波传播速度都增加。

由图6可知，雾化空气喷射压力系数为1时，随着凝胶汽油喷射压力系数由1增大到2，p2位置的压力峰值和p1、p2间波传播速度均值先增大后减小。凝胶汽油喷射压力系数为2.5时，随着雾化空气压力系数由0.8增大到1.3，p2位置的压力峰值和p1、p2间波传播速度均值也先增大后减小。这是因为当保持空气雾化压力不变时，增大凝胶汽油喷射压力，凝胶汽油供给量增加，压力峰值与波传播速度均增大。当凝胶汽油过量时，压力峰值与波传播速度则减小。当保持凝胶汽油喷射压力不变时，情况正好相反。减小雾化空气压力，凝胶汽油供给量增加。因此，合适的凝胶汽油供给量，才能获得较高的压力峰值和波传播速度。

图6 不同氧含量和凝胶汽油供给工况下p2位置压力峰值与p1、p2间波传播速度的平均值Fig.6 Mean values of peak pressures of p2 position and velocities between p1 and p2 under different oxygen concent and fuel supply

图7为实验1工况下p2发生点火间断现象的压力-时间曲线。由图7可知，在0.5 s内仅出现了7个压力波，而20 Hz的点火频率下应存在10个压力波，表明部分点火未成功。这是因为凝胶汽油粘度大，不易蒸发，当氧含量不高、燃烧反应活性较低时，燃烧不稳定性增加，从而出现图7所示的点火失效现象。

图7 实验1工况下发生点火间断现象的压力-时间曲线Fig.7 Pressure vs time of p2 position when ignition discontinuity occurred under No.1 experimental condition

3 结论

(1)实验结果表明，使用凝胶汽油的脉冲爆轰火箭发动机能够稳定工作。在氧含量为42%、凝胶汽油/雾化空气喷射压力系数为2.5/1时，距发动机点火位置770 mm处的爆轰压力均值为2.02 MPa，爆轰波速度均值为1 124 m/s。

(2)由于凝胶汽油粘度大，雾化与蒸发困难，实现凝胶汽油爆轰需要更高的燃料喷射压力。实验获得的凝胶汽油爆轰压力和爆轰波速度均比液体汽油的低。

(3)增加氧含量，可改善凝胶汽油点火起爆特性。相同凝胶汽油供给工况下，氧含量增加，凝胶汽油爆轰压力和爆轰波速度增大。

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(编辑:崔贤彬)

Experiment of detonation characteristics of gelled gasolines in pulse detonation engine

HU Hong-bo，WENG Chun-sheng，BAI Qiao-dong，YANG Jian-lu
(National Key Lab of Transient Physics，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China)

An experimental system of pulse detonation rocket engine using gelled fuels was established to explore the feasibility of application of gelled fuels on pulse detonation engines.The hot state tests were accomplished on multi-cycle pulse detonation rocket engine at different oxygen concentration and supply conditions of gelled fuels.The influences of oxygen concentration and fuel supply conditions on pressure and wave propagation velocity of detonation wave were analyzed.The experimental results indicate that pulse detonation rocket engine can work stably with gelled fuels.With 42%oxygen in filling gases and injection pressure coefficients of fuel and atomizing air at 2.5 and 1，the average value of detonation pressure and wave velocity were 2.02 MPa and 1 124 m/s respectively.The pressure and wave velocity of detonation increase with oxygen addition under the same fuel supply conditions.The results have some significant references for application investigation on gelled fuels and pulse detonation engines.

pulse detonation engine;gelled gasoline;detonation;hot state test

V439

A

1006-2793(2014)04-0505-05

10.7673/j.issn.1006-2793.2014.04.014

2013-09-12;

2013-10-12。

国家自然科学基金(11372741);中央高校基本科研业务费专项资金(30920130112007)。

胡洪波(1987—)，博士生，主要从事凝胶推进剂爆轰的实验研究。E-mail:huhongbonjusteducn@163.com

白桥栋(1979—)，男，博士，研究方向为爆轰推进技术。E-mail:baiqd@njust.edu.cn