基于环形喷管的脉冲爆轰发动机爆轰声波声学特性

康杨， 李宁， 黄孝龙， 翁春生

(南京理工大学 瞬态物理国家重点实验室， 江苏 南京 210094)

0 引言

脉冲爆轰发动机(PDE)是一种新概念发动机，其利用脉冲式爆轰波产生的高温、高压燃气来获得推力，具有结构简单、比冲高、推重比大、工作范围宽等优点，因此PDE有潜力作为下一代航空航天推进系统的高性能推进装置[1]。爆轰声波是指PDE爆轰过程中在管外冲击波、射流诱导激波等一系列复杂波系作用下引起的介质压力脉动而产生的脉冲式强声波。初步研究结果显示，以PDE为推进系统的有人驾驶飞机正常工作时所产生的噪声相当于B-1B轰炸机的噪声水平[2]。可见，当PDE作为一种动力装置工作时产生的强噪音和强振动会对飞行器的结构声疲劳、整体工作性能以及安全构成严重威胁。喷管技术是PDE研究的重要部分[3]。喷管不但直接影响PDE的推进性能，而且会改变爆轰声波特性参数，进而对飞行器安全等产生影响。环形喷管是一类结构较为特殊的喷管。在火箭发动机的研究中发现环形喷管对于提升发动机推力和比冲性能具有较大潜力[4]；在声学研究中也发现环状的活塞换能器可实现较为理想的聚焦效果[5]。基于环形喷管的爆轰声波特性分析不但可以满足PDE推进基础研究需要，还有望为特种环境下脉冲声波军事需求提供一条新的发展途径。

针对PDE爆轰声波的研究最早在21世纪初开展，因此国内外在PDE爆轰声波领域的研究相对较少。国外针对PDE爆轰声波的研究集中在气态燃料PDE。Boesch等[6]搭建了单管PDE和6管PDE的噪声测试系统并对单管和6管PDE管外不同距离处的声压进行了测量。通过对单管PDE爆轰噪声的时域特性和频谱特性研究分析发现，在合适的实验初始条件下爆轰噪声随传播距离的衰减规律符合理想爆炸波理论。Allgood等[7]对以乙烯为燃料的气态燃料PDE噪声的指向性进行了实验研究，并研究了PDE填充系数、工作频率和喷管结构等影响因素对PDE噪声的影响。Glaser等[8]利用与Allgood等相同的测试系统和PDE系统研究了填充系数、当量比和点火频率等PDE运行参数和全内螺纹喷管、穿孔喷管、锯齿形喷管等不同喷管结构和不同直径引射器对PDE噪声的影响。Shaw等[9]通过实验测试了12英尺范围内以氢气为燃料的单管至4管PDE噪声，对比了锯齿形喷管、出口处二次空气射流、收敛喷管、分叉出口以及Helmholtz谐振腔5种抑制噪声的措施对PDE噪声的影响。Anand等[10]于2018年对美国辛辛那提大学在PDE噪声方面的研究做了系统总结，详细总结了PDE工作频率、当量比、填充系数、可燃混合物氮气稀释率、喷管结构等参数对PDE噪声的影响，并对比了双管PDE与单管PDE噪声特性。

国内针对PDE爆轰声波的研究起步稍晚，但是研究对象均为液态燃料PDE，这更具有实际工程意义。Zheng等[11]对管径50 mm以汽油为燃料的PDE在不同工作频率下的噪声辐射特性进行了研究。章雄伟等[12]对以汽油和空气为燃料和氧化剂的PDE噪声信号进行了时域和频域分析，研究结果对PDE故障诊断有着积极的意义。Xu等[13]和许桂阳等[14]搭建了汽油- 空气两相PDE爆轰噪声实验系统，通过理论和实验相结合的方法对爆轰噪声波形、声压级、持续时间和指向性等声学特性进行了系统研究，并研究了PDE管径、喷管、引射器和PDE装填条件对爆轰噪声特性的影响。黄孝龙等[15-16]在此基础上对多管PDE爆轰噪声声学特性、形成机理和传播过程进行了全面研究；通过实验研究了单管至4管PDE的近远场噪声特性并考虑了多管PDE组合方式、管间距、排列方式、独立和共用喷管、PDE工作同步性等关键影响因素对多管PDE爆轰噪声特性的影响。Kang等[17-18]和康杨[19]研究了椭球型反射罩对PDE爆轰声波的影响以及封闭空间内PDE爆轰声波的传播特性。

本文以气- 液两相PDE为基础，在开阔空间内搭建加装环形喷管的PDE爆轰声波实验系统，通过实验深入研究加装环形喷管PDE爆轰声波的时频域信号特征、指向性和持续时间等声学特性，探究环形喷管对PDE爆轰声波形成和传播过程的影响。研究结果可推动爆轰推进技术和脉冲声波技术的进一步研究。

1 爆轰声波实验系统

为深入研究加装环形喷管的爆轰声波声学特性，在自由空间内搭建气- 液两相脉冲爆轰声波实验系统，如图1所示，传感器在PDE管外布置于与爆轰管中轴线等高的θ°方向，距PDE出口距离为r。

图1 脉冲爆轰声波实验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental system for pulse detonation acoustic wave

气- 液两相脉冲爆轰声波实验系统由PDE、燃料供给系统、氧化剂供给系统、点火系统、声波测试系统和数据采集与处理系统组成。实验系统中，PDE管径60 mm，管长1.7 m，环形喷管通过法兰盘链接加装在PDE尾部。实验中以92号汽油为液态燃料，富氧空气为氧化剂，其中氧气与氮气体积分数分别为40%和60%，压缩氧气与压缩氮气由高压气瓶提供，通过安装在气瓶出口的减压器调节出口压力来控制进气流量。压缩氧气与压缩氮气的供给开关由三路进气管路上的电磁阀实现。燃料供给系统采用加压式供油，当燃料供给系统的电磁阀打开时，燃料经过精细雾化喷嘴初次雾化后喷射进入爆轰管混合室，其中部分燃料直接穿过混合室内安装的文氏管喉部，另一部分燃料液滴喷射在文氏管的光滑表面，形成一层薄油膜。当氧化剂气流流经文氏管喉部时，由于文氏管喉部的收缩，气流流速加速，二次雾化文氏管表面上的油膜。由此燃料和氧化剂在混合室内充分混合，形成雾化良好且混合均匀的可燃混合物，向点火室和爆轰室内填充。实验中测得混合室内汽油液滴的索太尔平均直径分布在50～100 μm。实验中可以通过调节填充压力控制反应物流量和当量比，本文选择氧化剂和燃料的填充压力为0.8 MPa，当量比为1，各爆轰循环中燃料和氧化剂均匀填满爆轰管。点火系统由点火控制器和高能点火头组成，点火控制器精确控制点火的时序，高能点火头释放1.5 J的点火能量，点燃可爆燃料与氧化剂混合物，在PDE内部强化燃烧装置等内部结构的作用下形成稳定传播的爆轰波，本文实验中的点火频率均为5 Hz。爆轰波逸出管口后衰减蜕化形成爆轰声波。爆轰声波测试系统采用美国PCB公司生产的733系列预极化高振幅压力麦克风，其量程(3%失真极限)为182 dB(以20 μPa为基准)，该麦克风需配合美国PCB公司生产的426B03型前置放大器共同使用。声传感器在使用时先采用丹麦GRAS公司生产的42AB型声压校准器进行标定，确定实时灵敏度以避免因当地风速、温度、湿度等引起的系统误差，声压校准器校准精度为114 dB±0.2 dB(以20 μPa为基准)。测试角度θ°和测试距离r可以根据实验要求进行调节。测试角度的定义为：沿着爆轰发动机出口气流主方向为0°。本文实验中，在PDE管外与爆轰管中轴线等高的轴向方向距管口10 m、15 m、20 m和25 m处，布置PCB 733系列声学传感器。在偏离轴向方向的30°、60°和90°方向也进行相同的声学测试。声波信号通过数据采集系统的信号放大器和A/D转换器处理后由美国NI公司生产的PXIe-1062Q型记录仪记录，采集软件为LabView软件编写的16通道信号采集分析系统，测试过程中数据采样率为500 kHz。

环形喷管结构示意图如图2所示，环形喷管的外壁是一个扩张型喷管，内锥是实心圆锥，圆锥顶点在扩张喷管中轴线上，圆锥底面与扩张喷管出口平齐。图2中，d1、d2和d3分别为扩张喷管小径、扩张喷管大径和环形喷管内锥底面直径，L1和L2分别为喷管管长和环形喷管内锥长度。环形喷管的具体参数如表1所示。图3所示为环形喷管实物图。

图2 环形喷管结构示意图Fig.2 Schematic diagram of annular nozzle

表1 环形喷管结构尺寸参数

图3 环形喷管实物图Fig.3 View of annular nozzle

2 实验结果讨论与分析

爆轰声波是一种典型的脉冲噪声，PDE出口结构对爆轰声波的时频特性、峰值声压、指向性和持续时间等声学特性具有重要影响。本文选取多次重复性实验条件下的典型爆轰声波信号进行分析，探讨环形喷管对爆轰声波声学特性的影响。

2.1 时频特性分析

首先对不同角度下加装环形喷管爆轰声波波形进行研究。图4所示为0°、30°、60°和90°方向20 m测点处加装环形喷管的爆轰声波波形图。从图4中可以看出，加装环形喷管的爆轰声波在不同角度处的噪声波形差异显著。

图4 不同方向上加装环形喷管的爆轰声波波形图Fig.4 Acoustic waveform of detonation acoustic waveof pulse detonation engine with annular nozzle in different directions

图4(a)为0°方向的爆轰声波波形，该噪声波形存在2个噪声峰值，第1个噪声峰值为冲击声波，第2个噪声峰值为射流声波。射流声波在冲击声波后0.61 ms到达，2个噪声峰值相近，其声压值约为170 Pa。在射流声波后，爆轰声波声压下降至负压，负压持续时间4.53 ms，负向压力峰值为84 Pa。图4(b)为30°方向的爆轰声波波形，该噪声波形存在1个冲击声波峰值和一个射流声波压力平台。从图4(b)中可以看出：30°方向的爆轰声波的冲击声波峰值为495.5 Pa；当冲击声波峰值到达后，爆轰声波压力下降到当地声压附近，射流声波也到达测点，射流声波与冲击声波到达时间相差0.62 ms，射流声波到达测点后形成一个持续时长达1.45 ms的压力平台，射流声波压力平台的声压在150～170 Pa范围内波动。射流声波压力平台的出现是由于当爆轰管内爆轰燃气射流传播出环形喷管的环形出口后，环形爆轰燃气射流与周围大气作用产生的射流声波向偏向PDE轴线方向30°角度传播时会产生到达时间差，从而使得射流声波的持续时间变长，出现射流声波压力平台。射流声波压力平台后，测点处爆轰声波声压逐渐下降至负压，负压峰值为112 Pa，负压持续时间为4.23 ms。图4(c)为60°方向的爆轰声波波形，与30°方向爆轰声波波形类似，该噪声波形存在1个冲击声波峰值和一个射流声波压力平台，冲击声波峰值为597 Pa，射流声波在冲击声波后0.68 ms到达，射流声波压力平台声压波动范围为65～112 Pa，持续时间为1.37 ms。射流声波到达平台后爆轰声波逐渐下降至负压，且负压存在多个波谷，负压峰值为123 Pa，负压持续时间为6 ms。图4(d)为90°方向的爆轰声波波形，该噪声波形存在2个冲击声波峰值和一个射流声波压力平台。2个冲击声波峰值分别为1 053 Pa和1 045 Pa，到达测点时间相差1 ms。第1个冲击声波到达测点后形成了一个完整的负压后第2个冲击声波才到达测点，2个冲击声波之间的负向压力峰值为109 Pa，持续时间为0.49 ms。射流声波在第1个冲击声波峰值后1.59 ms到达，射流声波压力平台声压波动范围为61～101 Pa，持续时间为1.14 ms。射流声波之后爆轰声波声压降至负压，负压持续时间4.66 ms。

从图4中可以看出，加装了环形喷管的爆轰声波在不同测试角度测点处的波形差别较大。30°、60°和90°方向冲击声波的上升沿陡峭，上升沿时间均为10 μs，而0°方向冲击声波上升沿时间为135 μs，由此可见0°方向冲击声波能量相对较弱。冲击声波峰值声压随着传播角度的增大而增大，最大冲击声波峰值出现在90°方向，其值为0°方向冲击声波峰值的6.17倍。射流声波的峰值声压随着传播角度的增大而减小，最大射流声波峰值出现在0°方向。射流声波与冲击声波的时间间隔也随着传播角度的增大而增大，由0°方向的0.61 ms增长到90°方向的1.59 ms，表明90°方向上引起冲击声波的冲击波在未蜕化成声波之前的传播速度最大。从图4中还可以看出，爆轰声波的负相压力峰值声压变化不大，最大负相压力峰值和最长负相压力持续时间均在60°方向，最小负压峰值在0°方向，最短负相压力持续时间在30°方向，其差值分别为39 Pa和1.77 ms。

图5所示为0°、30°、60°和90°方向20 m测点处加装环形喷管的爆轰声波频谱图。从图5中可以看出：不同角度下加装环形喷管的爆轰声波信号强度随着噪声频率变化的规律相似。以0°方向的爆轰声波频谱进行分析，如图5(a)所示，在10～100 Hz频段范围内，加装环形喷管的爆轰声波信号强度随着频谱中爆轰声波频率的增加缓慢增加后基本保持不变；在100～1 000 Hz频段范围内，爆轰声波信号强度随着爆轰声波频率的增加呈现先减弱后增强的趋势，爆轰声波在640 Hz频点处出现波谷，波谷处对应的频点声压级为68 dB；在1 000～100 kHz频段范围内，爆轰声波信号强度随着爆轰声波频率的增加总体上呈现下降的趋势。结合图5(b)、图5(c)和图5(d)可以看出，随着测试角度的增加，100～1 000 Hz频段范围内的波谷频率前移，在90°方向爆轰声波在345 Hz处就出现波谷，波谷处的频点声压级为74.5 dB。

图5 不同方向上加装环形喷管的爆轰声波频谱图Fig.5 Frequency spectrum of detonation acoustic waveof pulse detonation engine with annular nozzle in different directions

2.2 峰值声压衰减规律和指向性分析

图6所示为0°、30°、60°和90°方向加装环形喷管的爆轰声波峰值声压随传播距离变化曲线。从图6中可以看出：不同角度方向上加装环形喷管的爆轰声波峰值声压均随着传播距离的增加而下降，同时爆轰声波峰值声压的衰减速度也随着传播距离的增加逐渐减慢；随着测试方向角度的增大，爆轰声波的衰减速度增快，衰减幅度也增大；0°、30°、60°和90°方向上爆轰声波峰值声压的平均衰减速度分别为16.7 Pa/m、36.8 Pa/m、56.0 Pa/m和85.0 Pa/m，爆轰声波峰值声压的衰减幅度分别为251 Pa、552 Pa、840 Pa和1 274 Pa。可见，在90°方向上加装环形喷管的爆轰声波峰值声压最高，衰减速度最快，衰减幅值最大，表明90°方向上爆轰声波辐射的能量最多。

图6 不同方向上加装环形喷管的爆轰声波峰值声压Fig.6 Peak acoustic pressure of detonation acoustic wave of pulse detonation engine with annular nozzle in different directions

图7所示为10 m、15 m、20 m和25 m处加装环形喷管的爆轰声波峰值声压的指向性图。从图7中可以看出，加装环形喷管的爆轰声波峰值声压的指向性并不随着传播距离的增加而改变，不同测点处爆轰声波峰值声压均在90°方向有最大值；由于环形喷管内壁和外壁与中心轴线存在一定的角度，爆轰波在内壁和外壁间来回反射并沿着环形喷管的内壁和外壁夹角方向向PDE尾部传播。因此，PDE管内的爆轰波和高温高压爆轰燃气射流传播至环形喷管管口时的速度具有一定的方向性，这与未加装环形喷管时PDE出口的爆轰波和燃气射流的轴向初速度不同。可见，加装环形喷管后改变了PDE出口原始的流场特性，在PDE出口处由爆轰波蜕化而成的冲击声波和紧随其后由高温高压燃气射流导致的射流声波在90°方向上辐射了更多的噪声能量，由此改变了爆轰声波的指向性特性。

图7 不同测点处的爆轰声波指向图Fig.7 Directivity pattern of detonation acoustic wave at different distances

2.3 A持续时间分析

在评价爆轰声波能量时，有效持续时间和声压同样重要。因此，有效持续时间成为爆轰声波的一个重要物理参数。参考脉冲噪声持续时间的定义，重点研究不同方向上加装环形喷管的爆轰声波A持续时间，A持续时间是指爆轰声波的初始或主要压力波上升到正峰值并瞬间返回到环境压力所用的时间。

图8所示为0°、30°、60°和90°方向加装环形喷管的爆轰声波A持续时间随传播距离变化曲线。从图8中可以看出，4个测试方向上爆轰声波的A持续时间随着传播距离的增加呈现不同的变化规律；加装环形喷管的爆轰声波A持续时间分布在两个范围0.42～0.82 ms和2.46～3.11 ms。0°方向爆轰声波的A持续时间均在2.46～3.11 ms范围内，A持续时间随着爆轰声波传播距离的增加逐渐增加。结合0°方向各测点的爆轰声波波形可知，0°方向爆轰声波的A持续时间由爆轰声波的冲击声波和射流声波共同决定。加装环形喷管后PDE出口辐射至0°方向的冲击波能量较弱，当冲击声波的波形还未下降到环境压力时射流声波就到达测点，又引起当地噪声压力的升高，因此0°方向的爆轰声波A持续时间由冲击声波和射流声波共同决定。随着爆轰声波传播距离的增大，射流声波与冲击声波到达测点的时间差增加，由此造成0°方向爆轰声波A持续时间随传播距离增加而增加。30°方向爆轰声波的A持续时间随着传播距离的变化规律是4个测试方向上最特殊的，30°方向的前2个测点，即10 m和15 m测点处的爆轰声波A持续时间分别为2.62 ms和3.02 ms，其爆轰声波的A持续时间与0°方向各测点的A持续时间的决定因素一致，也是由冲击声波和射流声波共同决定的。而在20 m和25 m测点处，爆轰声波的A持续时间分别降到了0.54 ms和0.42 ms，这是因为在这2个测点的爆轰声波A持续时间只由冲击声波决定。PDE出口处冲击波和高温高压燃气射流辐射在30°方向的冲击波能量比0°方向强，30°方向的冲击声波与射流声波传播速度差值较大，随着传播距离的增加，射流声波与冲击声波到达测点的时间间隔增大，因此在20 m和25 m测点处冲击声波到达后衰减至环境压力甚至负压后射流声波才到达测点，此时爆轰声波的A持续时间仅由冲击声波决定。60°和90°方向所有测点处爆轰声波的A持续时间均在0.42～0.82 ms范围内，这是因为PDE出口处冲击波和高温高压燃气射流在60°和90°方向辐射的能量较30°方向更多，因此在60°和90°方向所有的测点处爆轰声波的A持续时间均由冲击声波决定。

图8 不同方向上加装环形喷管的爆轰声波A持续时间Fig.8 A duration of detonation acoustic waves of pulse detonation engine with annular nozzle in different directions

3 结论

本文搭建了气- 液两相爆轰声波实验测量系统，系统研究了加装环形喷管的脉冲爆轰发动机爆轰声波的波形、频谱特性、峰值声压、指向性和A持续时间等声学特性。得出主要结论如下：

1)在本文实验条件下，环形喷管对爆轰声波的声学特性有重要的影响。加装了环形喷管的爆轰声波在不同测试角度测点处的噪声波形差别较大。

2)30°、60°和90°方向爆轰声波的上升沿陡峭，而0°方向的爆轰声波上升沿持续时间相对较长，由此可见加装环形喷管的爆轰声波在0°方向的噪声能量相对较弱。在90°方向上加装环形喷管的爆轰声波峰值声压最高，衰减速度最快，衰减幅值最大，同时爆轰声波显示出明显的90°方向凸出的指向性。表明环形喷管改变了爆轰声波的能量分布，使得爆轰声波在90°方向辐射的能量最多。

3)加装环形喷管的PDE爆轰声波A持续时间随着传播角度的增大而逐渐减小。研究结果可推动PDE声学问题的机理研究并为脉冲爆轰声波的军事应用提供试验验证。