蔣 弢，翁春生

( 南京理工大學(xué) 瞬態(tài)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210094)

0 引 言

脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)( Pulse Detonation Engine，簡(jiǎn)稱(chēng)PDE)是一種利用脈沖式爆轟波產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)鈦?lái)獲得推力的新型推進(jìn)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，推重比大，熱循環(huán)效率高，具有廣泛的應(yīng)用前景。

目前國(guó)內(nèi)外做了大量試驗(yàn)來(lái)研究多種因素對(duì)脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃轉(zhuǎn)爆轟過(guò)程的影響，其中液體燃料高速?lài)娚?、霧化和兩相混合是其中重要的影響因素。DEAN［1］和Dnih［2］等人的研究得出了霧化混合結(jié)果的好壞對(duì)PDE 爆燃轉(zhuǎn)爆轟過(guò)程有重要影響的結(jié)論。Varathalrajan［3］等人研究了加快來(lái)流速度對(duì)PDE 內(nèi)液態(tài)燃油霧化的影響。Brophy［4］等人通過(guò)采用預(yù)爆轟管來(lái)快速、穩(wěn)定地起爆PDE 主爆轟管內(nèi)的燃料/空氣混合物。Schauer［5］等人應(yīng)用閃蒸系統(tǒng)( FvS) 來(lái)提高無(wú)預(yù)爆管和非富氧的條件下PDE 內(nèi)液態(tài)燃油的霧化。范育新［6-7］等人研究了壁面溫度和爆轟管的形狀對(duì)PDE 性能的影響。王治武［8-10］等人利用CFD 程序分別對(duì)切向、軸向和徑向進(jìn)氣方式的PDE 混合室中油、氣的混合特性進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，設(shè)計(jì)了4 種混合室結(jié)構(gòu)并進(jìn)行了熱態(tài)試驗(yàn)研究，找到了利于點(diǎn)火、起爆迅速的混合室結(jié)構(gòu)，并且研究了爆轟管長(zhǎng)度和橫向射流對(duì)DDT 過(guò)程的影響。翁春生［11-15］等人通過(guò)提高進(jìn)氣壓力和供氣含氧量，改變供氣方式來(lái)改善爆轟管內(nèi)的燃油的霧化蒸發(fā)混合狀況，進(jìn)而來(lái)提高PDE 的工作頻率、推力和爆轟波峰值壓力。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)氣液兩相脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃油霧化和兩相混合做了不少的研究，但是未見(jiàn)文氏管以及噴嘴和文氏管的相互作用對(duì)脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃油噴射、霧化混合過(guò)程和點(diǎn)火起爆過(guò)程的研究。作者建立了一套以液態(tài)汽油為燃料的兩相脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)改變文氏管內(nèi)噴嘴的位置來(lái)研究脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的霧化混合過(guò)程和爆燃轉(zhuǎn)爆轟過(guò)程，并分析噴嘴位置對(duì)脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

氣液兩相脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的主要部件包括發(fā)動(dòng)機(jī)本體、供氣系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、點(diǎn)火控制系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)等，試驗(yàn)裝置如圖1 所示。

PDE 由混合室、點(diǎn)火室和爆轟室組成，在爆轟管頭部設(shè)置3 個(gè)夾角為120°的切向進(jìn)氣孔供氣，在混合室內(nèi)內(nèi)安裝文氏管，在文氏管不同位置安裝精細(xì)霧化離心噴嘴，其噴射出的一次霧化燃油液滴部分直接穿過(guò)文氏管喉部，部分噴射在文氏管的光滑表面，形成薄的均勻油膜，在文氏管喉部高速氣流作用下二次霧化，充分混合的油氣混合物經(jīng)過(guò)文氏管的擴(kuò)張段，形成霧化良好、混合充分、分布均勻的可爆混合物。在文氏管出口后一段距離處安裝火花塞點(diǎn)火器，可在0 ～70Hz 間工作。為了強(qiáng)化爆轟波的形成，需在點(diǎn)火室后安裝擾流裝置和激波強(qiáng)化裝置。

圖1 脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic of the PDE

測(cè)試系統(tǒng)主要包括馬爾文粒度儀、壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)及其管路等。文氏管出口的管壁上開(kāi)測(cè)試窗口，馬爾文粒度儀安裝在此處通過(guò)激光的米氏散射來(lái)測(cè)量汽油液滴的分布。在爆轟管出口沿其軸向設(shè)置有壓力傳感器，標(biāo)記為P1。壓力傳感器采用高精度動(dòng)態(tài)壓力傳感器。由于壓力傳感器在工作時(shí)對(duì)溫度有一定的要求，當(dāng)爆轟管的溫度超過(guò)壓力傳感器的工作范圍時(shí)，壓力傳感器測(cè)出的數(shù)據(jù)將產(chǎn)生漂移。因此，試驗(yàn)中采用了冷卻水套對(duì)壓力傳感器進(jìn)行冷卻，通過(guò)不斷地注入流動(dòng)的冷卻水來(lái)保證壓力傳感器在正常環(huán)境下工作。壓力傳感器捕捉的爆轟波瞬時(shí)信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理器后，由四通道數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2 試驗(yàn)流程

脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程包括新鮮燃料與氧化劑的填充、燃料霧化蒸發(fā)混合、點(diǎn)火燃燒、爆轟波的形成與傳播，以及爆轟波后燃?xì)獾呐懦?。試?yàn)過(guò)程中首先設(shè)定供氣壓力和供油壓力，開(kāi)啟電磁閥后，汽油通過(guò)噴嘴噴射入發(fā)動(dòng)機(jī)管內(nèi)，與氧化劑空氣進(jìn)行混合，用馬爾文粒度儀測(cè)量文氏管后液滴分布，然后通過(guò)火花塞點(diǎn)火器點(diǎn)燃，在擾流裝置和激波強(qiáng)化裝置作用下，形成穩(wěn)定的爆轟波，壓力傳感器隨之采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。將噴嘴安裝在以下位置按上述流程多次測(cè)量：(1) 安裝在文氏管入口處； ( 2) 安裝在文氏管喉部；(3) 安裝在文氏管擴(kuò)張段內(nèi)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 噴嘴位置對(duì)液滴分布的影響

試驗(yàn)研究了頭部三管切向旋轉(zhuǎn)進(jìn)氣的工況下，噴嘴安裝在文氏管不同位置時(shí)文氏管出口后點(diǎn)火頭區(qū)前液滴的霧化混合狀況。

圖2 和3 分別為文氏管出口的液滴尺寸概率分布曲線和累積分布曲線。研究脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)噴射霧化時(shí)，簡(jiǎn)單分析常采用索泰爾平均半徑，深入分析還要采用液滴分布曲線。

從圖2、3 和表1 可以看出：噴嘴安裝在文氏管喉部時(shí)，噴嘴噴射出的汽油液滴經(jīng)過(guò)一次霧化后，部分直接穿過(guò)文氏管喉部在文氏管喉部高速氣流作用下二次霧化，部分噴射在文氏管的光滑表面形成薄的均勻油膜，在切向氣流作用下二次霧化，充分混合的油氣混合物經(jīng)過(guò)文氏管的擴(kuò)張段，形成霧化良好、混合充分、分布均勻的可爆混合物，測(cè)得的索泰爾平均半徑為76. 9μm，在3 種實(shí)驗(yàn)條件里最小，半徑小于120μm的液滴占總體積的91%，在尺寸分布上明顯向小顆粒方向偏移，說(shuō)明霧化效果最好。

圖2 液滴尺寸概率分布曲線Fig.2 Curves of the droplet size probability distribution

圖3 液滴尺寸累積分布曲線Fig.3 Curves of the droplet size cumulative distribution

表1 不同位置的噴嘴對(duì)霧化混合的影響Table1 Performances of the atomization and mixing with different nozzle positions

而噴嘴安裝在文氏管擴(kuò)張段時(shí)，由于燃油液滴二次霧化所需的氣流速度已遠(yuǎn)小于文氏管喉部，一部分噴射在文氏管的光滑表面，另一部分噴射在PDE 的管壁上，形成薄的油膜，在切向旋轉(zhuǎn)氣流作用下二次霧化質(zhì)量比在喉部時(shí)差，而且安裝在擴(kuò)張段的噴嘴距點(diǎn)火區(qū)最近，氣液兩相的混合時(shí)間和距離較短，液滴的相對(duì)尺寸范圍和發(fā)散邊界最大，混合效果不佳，測(cè)得的索泰爾平均半徑為85.4μm，半徑小于150μm 的液滴占總體積的90%，霧化效果比安裝在文氏管喉部時(shí)稍差。

噴嘴安裝在文氏管入口時(shí)霧化效果最差，索泰爾平均半徑為93.4μm，雖然半徑小于130μm 的液滴占總體積的92%，但是在尺寸分布上不均勻，呈現(xiàn)明顯的雙峰分布，而且雙峰都窄而高，大尺寸液滴集中在60 ～155μm，小尺寸液滴集中在18 ～36μm。這是由于燃油液滴絕大部分直接噴射在文氏管收斂段的表面，形成厚的油膜，不利于二次霧化，而且燃料液滴和油膜之間的作用力較大，很容易飛濺出不少半徑較小的液滴，形成了雙峰分布。雖然在文氏管入口的噴嘴離點(diǎn)火區(qū)最遠(yuǎn)，有充足的混合距離和時(shí)間，液滴的相對(duì)尺寸范圍和發(fā)散邊界最小，混合效果最好，但是這不能改變霧化質(zhì)量不佳的先天不足。

綜合考慮二次霧化、混合距離和時(shí)間等各種因素，安裝在文氏管喉部的噴嘴在文氏管出口的霧化混合效果最好，安裝在文氏管入口處的噴嘴在文氏管出口的霧化混合效果最差。

3.2 噴嘴位置對(duì)PDE 工作頻率和爆轟波壓力的影響

本節(jié)的熱態(tài)試驗(yàn)條件和3.1 節(jié)的冷態(tài)試驗(yàn)條件完全一致。本試驗(yàn)先對(duì)不同工況下10Hz 的爆轟波壓力曲線進(jìn)行研究。

圖4 在不同位置安裝噴嘴，頻率10Hz 的壓力-時(shí)間曲線Fig.4 Pressure profiles of 10Hz at different nozzle positions

表2 不同位置的噴嘴對(duì)爆轟波速度的影響Table 2 Velocities of the detonation wave with different nozzle positions

圖4 為在3 種不同位置安裝噴嘴時(shí)，PDE 出口測(cè)得的壓力-時(shí)間曲線。表2 為不同工況下PDE 內(nèi)爆轟波速度。判定爆轟波是否形成的關(guān)鍵依據(jù)之一就是爆轟波的峰值壓力。根據(jù)本試驗(yàn)工況計(jì)算得出的爆轟波理論壓力峰值為4MPa，傳播速度在1800m/s。從圖 4 和表 2 可以看出，噴嘴安裝在文氏管喉部時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作很穩(wěn)定，管內(nèi)測(cè)得的壓力峰值在4.7 ～5.0MPa 之間且波陣面很陡，爆轟波傳播速度為1252m/s； 噴嘴安裝在文氏管擴(kuò)張段時(shí)，管內(nèi)測(cè)得的壓力峰值在3.6 ～4.0MPa 之間，比噴嘴安裝在文氏管喉部測(cè)得的爆轟波壓力峰值低大約1.0MPa，爆轟波傳播速度為1121m/s；噴嘴安裝在文氏管入口時(shí)，爆轟波傳播速度為954m/s，管內(nèi)測(cè)得的壓力峰值在1.1 ～3.0MPa 之間且浮動(dòng)很大，部分時(shí)刻未能起爆，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)不太穩(wěn)定。

圖5 為在3 種不同位置安裝噴嘴時(shí)，PDE 按最高頻率工作時(shí)出口測(cè)得的壓力-時(shí)間曲線。從圖5 和表2 可以看出，噴嘴安裝在文氏管喉部時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)能以30Hz 穩(wěn)定地工作，管內(nèi)測(cè)得的壓力峰值在3.2 ～3.5MPa 之間且波陣面很陡，爆轟波傳播速度為1 215m/s，可以認(rèn)定完全起爆；噴嘴安裝在文氏管擴(kuò)張段時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)以20Hz 的頻率工作，管內(nèi)測(cè)得的壓力峰值在1. 6 ～3. 3MPa 之間，爆轟波傳播速度為1145m/s，部分時(shí)刻未能完全起爆； 噴嘴安裝在文氏管擴(kuò)張段時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)以15Hz 的頻率工作，管內(nèi)測(cè)得的壓力峰值在0.9 ～2.0MPa 之間，爆轟波傳播速度為849m/s，都未能完全起爆。

圖5 在不同位置安裝噴嘴，最高頻率的壓力/時(shí)間曲線Fig.5 Pressure profiles of the highest frequency at different nozzle positions

結(jié)合3.1 節(jié)的霧化混合結(jié)果可以得知：霧化混合對(duì)脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的爆燃轉(zhuǎn)爆轟過(guò)程有重要的影響。當(dāng)噴嘴安裝在文氏管喉部時(shí)，霧化混合效果最佳，液滴尺寸較小，能較快蒸發(fā)，形成均勻的可爆混合物，能較容易地爆燃轉(zhuǎn)爆轟，并且能充分燃燒，釋放出更多的能量來(lái)提高爆轟波峰值壓力；當(dāng)噴嘴安裝在文氏管擴(kuò)張段時(shí)，霧化混合效果稍差，有較多的大尺寸液滴，在爆燃轉(zhuǎn)爆轟過(guò)程中蒸發(fā)速度較慢，未能完全燃燒，壓力峰值偏低；當(dāng)噴嘴安裝在文氏管入口時(shí)，霧化混合效果最差，液滴尺寸呈現(xiàn)明顯的雙峰分布，小尺寸的液滴能快速燃燒，而大尺寸的液滴燃燒較慢，產(chǎn)生的能量不足以維持爆轟的進(jìn)行，造成了發(fā)動(dòng)機(jī)工作不穩(wěn)定。當(dāng)PDE 進(jìn)行高頻試驗(yàn)時(shí)，霧化混合效果好的可爆混合物更能充分燃燒，更容易爆燃轉(zhuǎn)爆轟。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)文氏管內(nèi)不同位置安裝噴嘴的脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：

(1) 文氏管喉部安裝噴嘴的PDE 霧化混合效果最好，擴(kuò)張段安裝噴嘴的霧化混合效果次之，入口處安裝噴嘴的霧化混合效果次之；

(2) 文氏管喉部安裝噴嘴的PDE 爆轟波峰值壓力最大，能在30Hz 的頻率下穩(wěn)定工作；

(3) 在試驗(yàn)范圍內(nèi)，改善霧化混合效果有利于提高PDE 的工作頻率。

試驗(yàn)結(jié)果為脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)理研究以及提高其工作頻率具有參考價(jià)值。

［1］ Dean A J. Recent development in approaches to pulsed detonation propulsion( Invited) ［C］. 39th AIAA/ASME/SAE/ASEE/Joint Propulsion Conference and Exhibit，Huntsville，Alabama，2003.

［2］ Dinh T N，et al. An investigation of droplet breakup in a high Mach，low weber number regime［C］. 41th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit，Reno，Nevada，2002.

［3］ Lasheras J，Varatharajan B，Varga C，et al. Studies of fuel distribution and detonation chemistry for pulse detonation engines［R］. ISABE，2001-1174.

［4］ Bropht C M，Werne RT L T S，Sinibaldilr J O. Performance characterization of a valveless pulse detonation engine［R］. AIAA 2003-1344.

［5］ Miser C L，King P I，Schauer F R. PDE flash vaporization system for hydrocarbon fuel using thrust tube waste heat［R］. AIAA 2005-3511.

［6］ 范育新，王家驊，宮繼雙，等. 壁溫蒸發(fā)器對(duì)脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能的影響［J］. 航空學(xué)報(bào)，2010，31(1) ：82-87.

［7］ 宮繼雙，范育新，張靖周，等. 扇環(huán)形截面管內(nèi)爆震波特性研究［J］. 工程熱物理學(xué)報(bào)，2010，( 6) ： 1542-1549.

［8］ 王治武，鄭龍席，嚴(yán)傳俊，等. 脈沖爆震燃燒器混合室研究［J］. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2008，22(4) ： 48-52.Wang Z W，Zheng L X，Yan C J，et al. Experimental investigation on the mixing chamber in pulse denotation chamber［J］. Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2008，22(4) ： 48-52.

［9］ 彭暢新，王治武，鄭龍席. 爆震室長(zhǎng)度對(duì)反傳影響的數(shù)值研究［J］. 航空學(xué)報(bào)，2013，34(5) ： 1001-1008.

［10］王治武，陳星谷，鄭龍席，等. 橫向射流起爆爆震波數(shù)值研究［J］. 推進(jìn)技術(shù)，2013，(3) ： 422-427.

［11］白橋棟，翁春生. 供氣含氧量對(duì)脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的試驗(yàn)研究［J］. 彈道學(xué)報(bào)，2011，23(3) ： 5-8.

［12］李寧，翁春生. 無(wú)閥式汽油/空氣兩相脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)研究［J］. 彈道學(xué)報(bào)，2010，22(4) ： 242-250.

［13］翁春生，王杰，白橋棟，等. 脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力對(duì)爆轟影響的試驗(yàn)研究［J］. 彈道學(xué)報(bào)，2008，20(3) ： 1-4.

［14］蔣弢，翁春生. 霧化混合對(duì)氣液兩相脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程的影響［J］. 南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，37(5) ： 692-698.

［15］彭振，翁春生，蔣弢，等. 供氣方式對(duì)脈沖爆轟火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作頻率影響的試驗(yàn)研究［J］. 兵工學(xué)報(bào)，2011，32(5) ： 584-588.