肖博文,續(xù) 晗,翁春生,倪曉冬,張 鋒,鄭 權(quán)

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

爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)作為一種新型推進(jìn)裝置,因其較高的熱循環(huán)效率和熱釋放率,成為發(fā)動(dòng)機(jī)研究的熱點(diǎn)[1]。爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)主要以液體[2,3]和氣體[4,5]為燃料,對(duì)粉末燃料方面的研究極少。粉末燃料有著能量密度大、易儲(chǔ)存、環(huán)境溫度適應(yīng)能力好[6]等特性,因此,粉末爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)具有熱循環(huán)效率高,推重比大,燃料利用率高等優(yōu)點(diǎn),可廣泛用于火箭式和沖壓式發(fā)動(dòng)機(jī),在航空航天領(lǐng)域及彈用動(dòng)力領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

近年來國(guó)內(nèi)外在粉末爆轟領(lǐng)域進(jìn)行了若干研究,BYKOVSKII等[7]證明了煤粉、空氣的混合物必須在可燃?xì)怏w參與下才能實(shí)現(xiàn)爆轟。DUMM等[8]通過實(shí)驗(yàn)證明,H2/空氣的旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)中添加少量碳粉可以進(jìn)一步提高爆轟極限。續(xù)晗等[9,10]先后以煤粉/H2/空氣和鋁粉/空氣為燃料,實(shí)現(xiàn)了粉末旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的成功運(yùn)行,并且通過與H2/空氣為燃料的氣體爆轟實(shí)驗(yàn)對(duì)比證明了煤粉與鋁粉等粉末燃料在參與爆轟的同時(shí)也增加了爆轟強(qiáng)度。臺(tái)經(jīng)華等[11]對(duì)粉末/液體組合燃料的燃燒性能進(jìn)行了研究,證明了適當(dāng)增大組合燃料中煤油的摻混比例能提高鋁粉顆粒的燃燒效率。

粉末供給系統(tǒng)是粉末爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)重要組成部分,能否實(shí)現(xiàn)燃料的穩(wěn)定、均勻和可調(diào)的供應(yīng),將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能,因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的粉末供給系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究。1970年FRICKLE等[12]為Al/AP粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)了一種流化床式粉末供給系統(tǒng),該設(shè)計(jì)也為后續(xù)流化床式粉末供給系統(tǒng)的研究與改進(jìn)起到了重要的參考作用。MEYER[13]在活塞內(nèi)部設(shè)計(jì)了6條流化氣通道,并在活塞表面固定有紫銅燒結(jié)板,使流化氣噴射均勻。GOROSHIN等[14,15]設(shè)計(jì)了一種高速氣流剪切式粉末供給系統(tǒng),流化氣從帶有一定傾角的環(huán)形狹縫中進(jìn)入,對(duì)上升的粉層進(jìn)行剪切流化。SUN等[16]在此基礎(chǔ)上,將環(huán)形狹縫改成環(huán)形集氣腔。ZHANG等[17]以N2/O2混合氣作為流化氣,將儲(chǔ)粉腔內(nèi)的粉末流化并從上方管道流出。谷湘等[18]通過數(shù)值模擬證明了顆粒在軸向環(huán)形噴注下的離散效果差,燃燒效率低。

由于供粉系統(tǒng)需要對(duì)供粉流量精確調(diào)控,因此可以利用氣固兩相壅塞原理使氣固兩相流在最小截面處形成壅塞,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料供應(yīng)流量的控制。文獻(xiàn)[19]研究發(fā)現(xiàn)在等截面摩擦管內(nèi),氣固兩相流達(dá)到壅塞時(shí)的最大流量隨固氣比的增大而減小。劉愛華等[20]通過實(shí)驗(yàn)證明氣固兩相流在噴管中達(dá)到壅塞的條件,并且得出臨界壓力比和兩相聲速的計(jì)算公式。李強(qiáng)等[21-23]探究了鋁粉、漂珠、氧化鋁三種粉劑的物性參數(shù)對(duì)氣固兩相流聲速的影響。趙良舉等[24]通過對(duì)單一相和氣固兩相流聲速的計(jì)算,證明了氣固兩相流聲速要遠(yuǎn)小于單一相。

為了進(jìn)一步揭示粉末爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供給系統(tǒng)的工作特性和供粉特性,本文搭建了一套壓差式粉末燃料供給系統(tǒng)。通過對(duì)流化腔壓力、主氣路壓力、流化氣流量以及粉末收集袋質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),來探究不同活塞速度下,該供粉系統(tǒng)對(duì)于煤粉燃料的粉末輸送特性,并且通過對(duì)煤粉/氮?dú)獾臍夤虄上嗦曀俟降臄M合以及兩相密度公式的推導(dǎo),完善了煤粉/氮?dú)鈿夤虄上噗杖髁康陌虢?jīng)驗(yàn)公式,為后續(xù)粉末爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)供粉系統(tǒng)的研究提供理論模型和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及樣本選擇

整個(gè)粉末爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)供粉系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示,該系統(tǒng)由進(jìn)氣系統(tǒng)、儲(chǔ)粉腔、流化腔、主氣路、粉末收集系統(tǒng)以及測(cè)控系統(tǒng)等組成。整個(gè)儲(chǔ)粉腔被活塞分為上下兩個(gè)部分。其中儲(chǔ)粉腔內(nèi)活塞上方的部分用于儲(chǔ)存粉末,活塞下方則連接有可控升降速度的電機(jī),通過控制活塞速度,實(shí)現(xiàn)對(duì)供粉速率的調(diào)控;儲(chǔ)粉腔上端連接有流化腔,流化腔由上半部的摻混段和底部的環(huán)形集氣腔構(gòu)成;兩相音速噴嘴2被安裝在流化腔和主氣路之間。當(dāng)流化氣從流化氣源流出,通過流化氣電磁閥1、音速噴嘴1和流量計(jì),進(jìn)入到流化腔的下部的環(huán)形集氣腔內(nèi)從而對(duì)上升的粉末床層進(jìn)行流化;低于流化腔壓力的主氣路氣體從主氣路氣源流出,通過主氣路電磁閥2后進(jìn)入到主氣路中,當(dāng)流化裝置穩(wěn)定工作時(shí),氣固兩相流會(huì)在流化腔與主氣路之間的兩相音速噴嘴2喉部處形成壅塞,將流化腔中粉末穩(wěn)定輸送至主氣路中,最終進(jìn)入到粉末收集系統(tǒng)中。粉末收集系統(tǒng)由可以實(shí)時(shí)測(cè)量質(zhì)量的稱重傳感器以及多個(gè)粉末收集袋組成,多個(gè)粉末收集袋的使用是為了防止單個(gè)粉末收集袋因收集的粉量大,易堵塞粉末收集袋排氣孔進(jìn)而產(chǎn)生危險(xiǎn)。整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)一方面通過調(diào)控各管路電磁閥以及電機(jī)等控制元件,完成整個(gè)供粉系統(tǒng)的時(shí)序控制;另一方面通過采集供粉系統(tǒng)中各壓力傳感器、流量計(jì)等測(cè)量元件數(shù)據(jù),對(duì)整個(gè)供粉過程的各項(xiàng)特征參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖1 粉末供給系統(tǒng)Fig.1 Powder feeding system

本實(shí)驗(yàn)中選用的主氣路和流化氣路電磁閥可承受實(shí)驗(yàn)過程中氣流產(chǎn)生的正向壓力10 MPa,反向壓力6 MPa,響應(yīng)時(shí)間為50 ms;流化氣音速噴嘴直徑為2 mm,兩相音速噴嘴直徑為4 mm;氣體渦輪流量計(jì)的流量測(cè)量范圍是0～12 m3/h,采集頻率為100 Hz;儲(chǔ)粉腔內(nèi)部最大儲(chǔ)粉高度為350 mm;所用活塞驅(qū)動(dòng)電機(jī)可使活塞勻速上升的最大負(fù)載為5 000 N;稱重傳感器的測(cè)量范圍為0～5 kg,數(shù)據(jù)采集頻率為33 Hz;實(shí)驗(yàn)粉末選擇5微米無煙煤粉,粉末密度為956 kg/m3。流化腔平面結(jié)構(gòu)如圖2所示,流化腔底部直徑與儲(chǔ)粉腔內(nèi)部直徑一致,都為60 mm;流化氣以切向進(jìn)入到環(huán)形集氣腔中,流化氣流出環(huán)形集氣腔時(shí)的角度與豎直方向成25°,環(huán)形集氣腔間隙為1 mm;整個(gè)流化腔內(nèi)壁傾斜角度與水平方向成75°。

圖2 流化腔結(jié)構(gòu)Fig.2 Fluidization chamber

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

整個(gè)實(shí)驗(yàn)分為流化前的粉末預(yù)壓縮過程和正式流化過程。

粉末預(yù)壓縮過程:將粉末自然裝填至環(huán)形集氣腔上表面處,關(guān)閉球閥1和球閥2,打開球閥3,開啟粉末壓縮氣源,將氣源壓力調(diào)至1 MPa,氣體進(jìn)入流化腔后將環(huán)形集氣腔上表面處粉末向下壓縮。一定時(shí)間后關(guān)閉粉末壓縮氣源,關(guān)閉球閥3,緩慢打開球閥2,粉末壓縮氣體從流化腔排出。最后通過電機(jī)推動(dòng)活塞將壓縮后的粉末床層重新上升至環(huán)形集氣腔上表面。

正式流化過程:先打開球閥1,關(guān)閉球閥2和球閥3,打開流化氣和主氣路氣源,通過時(shí)序控制使電機(jī)帶動(dòng)活塞上移,從而推動(dòng)活塞上方粉末床層持續(xù)上升,升至環(huán)形集氣腔出口時(shí)會(huì)被流化氣所流化,進(jìn)而輸送進(jìn)主氣路。工作時(shí)序大致為:先打開主氣路電磁閥,0.5 s后流化氣路電磁閥開啟的同時(shí),控制電機(jī)使活塞向上移動(dòng)。持續(xù)幾秒的工作時(shí)間后先關(guān)閉流化氣路電磁閥并停止活塞運(yùn)動(dòng),0.5 s后再關(guān)閉主氣路電磁閥,最后系統(tǒng)停止數(shù)據(jù)采集。

1.3 實(shí)驗(yàn)工況

具體實(shí)驗(yàn)工況如表1所示。實(shí)驗(yàn)1為探究在同一流化氣流量下,不同活塞速度對(duì)粉末供應(yīng)效果的影響。實(shí)驗(yàn)2用于驗(yàn)證氣固兩相流的壅塞現(xiàn)象,可進(jìn)一步確保實(shí)驗(yàn)1中所有工況均處于壅塞狀態(tài)。

表1 實(shí)驗(yàn)工況Table 1 Experimental conditions

2 結(jié)果與分析

2.1 供粉過程工作特性分析

以實(shí)驗(yàn)1中活塞速度為25 mm/s的工況為例,供粉系統(tǒng)的工作特性及兩個(gè)臨界點(diǎn)所在曲線部分的放大圖如圖3所示。

圖3 粉末供給系統(tǒng)工作特性Fig.3 Working characteristics of powder supply system

本文中粉末的質(zhì)量流量曲線為粉末總質(zhì)量曲線對(duì)時(shí)間的微分。通過對(duì)圖3中流化腔壓力進(jìn)行微分,將微分曲線與壓力和粉末流量的波動(dòng)情況進(jìn)行對(duì)比分析,最終可以將整個(gè)供粉過程分為三個(gè)階段。

第一階段為供粉過程的初始階段,此時(shí)流化腔壓力持續(xù)上升且曲線幾乎無波動(dòng),同時(shí)粉末質(zhì)量流量在零刻度線左右波動(dòng)。根據(jù)分析,第一階段臨界點(diǎn)為流化腔壓力持續(xù)上升至第一個(gè)波動(dòng)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的微分曲線下降段中,曲線波動(dòng)產(chǎn)生的第一個(gè)零點(diǎn),具體為圖3左上角放大圖中微分曲線上t=3.98 s的點(diǎn)。在該點(diǎn)后壓力開始不規(guī)則波動(dòng),此后供粉過程進(jìn)入第二階段。而造成這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的原因,一方面是環(huán)形集氣腔中的流化氣是以一定角度斜向上旋轉(zhuǎn)進(jìn)入流化腔摻混段的,粉末需要上升一小段距離才能被流化氣流化;另一方面,粉柱在預(yù)壓縮過程中其表面會(huì)塌陷。因此該階段從流化腔流化出去的粉末很少。

第二階段是供粉過程中的不穩(wěn)定輸送階段,由于流化氣對(duì)隨活塞上升的粉末不斷切割導(dǎo)致流化腔內(nèi)粉量增加,氣體與粉末間相互碰撞加強(qiáng),大量粉末流過音速噴嘴喉部時(shí),造成氣體流通面積不斷變化,導(dǎo)致流化腔內(nèi)壓力曲線呈現(xiàn)不穩(wěn)定波動(dòng),此時(shí)氣固兩相流在噴嘴處形成不穩(wěn)定輸送,所以在第二階段的流化腔壓力相較于第一階段產(chǎn)生明顯的波動(dòng),但波動(dòng)無規(guī)律,質(zhì)量流量也同樣不穩(wěn)定波動(dòng)。

第三階段為供粉過程中的穩(wěn)定輸送階段,該階段流化腔壓力開始以一定頻率穩(wěn)定波動(dòng),因此第二階段和第三階段臨界點(diǎn)為壓力微分曲線形成一定頻率的穩(wěn)定波動(dòng)前的第一個(gè)周期起始點(diǎn),在此點(diǎn)后微分曲線波動(dòng)穩(wěn)定。具體為圖3中壓力微分曲線放大圖上t=5.35 s的點(diǎn)。流化腔壓力在穩(wěn)定階段形成的波動(dòng)主要是由于被流化后的粉末受到流化腔與主氣路之間的壓差作用從音速噴嘴流出后,流化腔內(nèi)的粉末濃度降低;另一方面,流化氣持續(xù)對(duì)上升至環(huán)形集氣腔處的粉末進(jìn)行流化,流化腔內(nèi)壓力不斷上升,產(chǎn)生波動(dòng)。從圖3中可以觀察到粉末流量與流化腔壓力都呈現(xiàn)出相類似的波動(dòng),驗(yàn)證了上述分析。

為了保證粉末爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行,在發(fā)動(dòng)機(jī)熱態(tài)實(shí)驗(yàn)中,應(yīng)該使供粉系統(tǒng)的供粉過程在點(diǎn)火裝置點(diǎn)火前達(dá)到第三階段。因此在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)熱態(tài)實(shí)驗(yàn)前會(huì)根據(jù)冷態(tài)流化過程中的不同階段的時(shí)間,對(duì)粉末噴射以及點(diǎn)火過程進(jìn)行時(shí)序設(shè)置,通過在點(diǎn)火前對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行粉末燃料的預(yù)噴射,保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作中粉末燃料的穩(wěn)定供應(yīng)。

2.2 供粉量對(duì)供粉特性的影響

圖4為實(shí)驗(yàn)1活塞速度從10 mm/s到30 mm/s變化時(shí),各工況壓力曲線和流量曲線變化圖。

圖4 不同活塞速度下的工作特性圖Fig.4 Operating characteristics at different piston speeds

由圖4可知,隨著活塞速度從10 mm/s增長(zhǎng)到30 mm/s過程中,流化腔內(nèi)穩(wěn)定階段的平均壓力和平均粉末流量逐漸上升。由于流化氣流量恒定,因此穩(wěn)定階段的流化腔壓力升高主要是由于供粉流量逐漸增加后粉末通過音速噴嘴喉部時(shí)的流通面積增加,導(dǎo)致流化氣流通面積在減少。具體流化氣流通面積隨活塞速度的變化如圖5所示。根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)中的氣體壅塞公式計(jì)算最大流量:

(1)

圖5 不同活塞速度下流化氣流過噴嘴面積Fig.5 Area with different piston speed

另一方面可以看到隨著活塞速度的增加,流化腔壓力在穩(wěn)定階段的波動(dòng)也變大。分析得出,當(dāng)活塞速度增加時(shí)供粉量增加,使流化腔內(nèi)壓力增高,此時(shí)流化腔內(nèi)被流化的顆粒數(shù)量多,進(jìn)而增加了顆粒與顆粒之間的碰撞概率,使顆粒在碰撞的過程中能量耗散增加,因此在氣固兩相相互作用的基礎(chǔ)上加強(qiáng)了顆粒間的相互作用,使第三階段穩(wěn)定供粉階段的壓力波動(dòng)幅度變大。

2.3 壅塞現(xiàn)象證明

實(shí)驗(yàn)2是在流化氣總壓3 MPa,活塞速度10 mm/s的供粉參數(shù)下,通過改變主氣路總壓來探究煤粉流化過程中的壅塞現(xiàn)象。圖6分別為主氣路總壓1～2.5 MPa下的供粉壓力與流量圖,圖7為前四幅圖中各壓力與流量曲線在供粉穩(wěn)定階段的平均壓力值與流量值。從下圖中可以觀察到,當(dāng)主氣路總壓從1 MPa上升至2.5 MPa,供粉達(dá)到穩(wěn)定階段時(shí),主氣路內(nèi)壓力不斷上升而流化腔壓力和粉末流量基本保持不變。針對(duì)以上現(xiàn)象分析得出,當(dāng)主氣路總壓升高時(shí),下游主氣路內(nèi)的壓力波動(dòng)并沒有影響到上游流化腔內(nèi)的壓力,此時(shí)氣固兩相流速達(dá)到兩相聲速,粉末流量不再變化。根據(jù)以上分析結(jié)果可以證明在此實(shí)驗(yàn)下,氣固兩相流處于壅塞狀態(tài)。

圖6 不同主氣路總壓下工作特性圖Fig.6 Operating characteristics under different total pressures

圖7 主氣路總壓升高流化腔壓力與粉末流量變化圖Fig.7 Variation of fluidization pressure and powder flow rate

為了進(jìn)一步驗(yàn)證以上實(shí)驗(yàn)工況的壅塞狀態(tài),通過氣固兩相平衡流壅塞狀態(tài)下的流量公式計(jì)算實(shí)驗(yàn)中的實(shí)際壓比αC(音速噴嘴喉部處壓力P1與流化腔內(nèi)壓力P0的比值),與文獻(xiàn)[25]中不同顆粒達(dá)到氣固壅塞狀態(tài)時(shí)的臨界壓比值進(jìn)行比對(duì)分析。

氣固壅塞狀態(tài)下,實(shí)際壓比αC:

(2)

式中:γm為氣固兩相絕熱指數(shù)。

想要求出實(shí)際壓比,需先對(duì)氣固兩相絕熱指數(shù)γm進(jìn)行求解。

氣固兩相平衡流壅塞流量:

(3)

式中:Rm為兩相混合常數(shù)。

(4)

式中:φ為顆粒相質(zhì)量分?jǐn)?shù);εp為顆粒相體積分?jǐn)?shù)。

氣固兩相平衡流動(dòng)時(shí)顆粒體積分?jǐn)?shù):

(5)

式中:n為固氣質(zhì)量比;ρp為粉末密度。

假設(shè)流化腔內(nèi)氣固混合均勻,顆粒相質(zhì)量分?jǐn)?shù):

(6)

表2 實(shí)驗(yàn)2中主氣路總壓2.5MPa數(shù)據(jù)Table 2 Data of 2.5 MPa total pressure in the main gas line in experiment 2

將實(shí)驗(yàn)2中流化氣總壓3 MPa,主氣路總壓2.5 MPa,活塞速度為10 mm/s工況得到的固氣比帶入文獻(xiàn)[25]中不同顆粒在壅塞狀態(tài)時(shí)臨界壓比公式(7),求出臨界壓比值:

(7)

式中:λp為煤粉導(dǎo)熱系數(shù);λAL2O3為三氧化二鋁的導(dǎo)熱系數(shù)。

最后求得實(shí)際壓比為0.582 4,臨界壓比為0.585 3。根據(jù)文獻(xiàn)[20]得出的結(jié)論,氣固兩相流在噴嘴喉部達(dá)到壅塞所需的條件是噴嘴喉部壓力與流化腔壓力比值小于或等于臨界值,本實(shí)驗(yàn)中主氣路總壓2.5 MPa下的實(shí)際壓比要小于該臨界值,因此在實(shí)驗(yàn)2中主氣路總壓2.5 MPa以下的工況均為壅塞,這里通過公式求解的方法進(jìn)一步驗(yàn)證了之前實(shí)驗(yàn)工況中氣固兩相流的壅塞狀態(tài)。

2.4 煤粉/氮?dú)鈿夤虄上嗔髀曀倥c壅塞流量擬合

通常粉末的質(zhì)量流量是通過冷態(tài)噴射實(shí)驗(yàn)來對(duì)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行標(biāo)定,由于不同的發(fā)動(dòng)機(jī)熱態(tài)實(shí)驗(yàn)工況都對(duì)應(yīng)著不同的供粉流量,因此需要建立一套對(duì)于煤粉/氮?dú)獾臍夤虄上嗟馁|(zhì)量流量計(jì)算公式,從而降低實(shí)驗(yàn)成本提高工作效率。

根據(jù)氣固兩相壅塞的流量公式:

(8)

式中:vm為氣固兩相聲速。

根據(jù)上式可知,音速噴嘴喉部面積已知的情況下,想要得到氣固兩相壅塞流量,首先要計(jì)算出兩相混合密度和兩相聲速。

①煤粉/氮?dú)鈿夤虄上嗷旌厦芏?/p>

假設(shè)流化腔內(nèi)流化氣與粉末混合均勻,則氣固兩相密度可以根據(jù)氣固兩相平衡流的狀態(tài)方程求出:

(9)

P1可通過求解兩相絕熱指數(shù)γm,進(jìn)而由式(2)計(jì)算。再將式(4)～式(6)代入到式(9)中,推導(dǎo)可得:

(10)

②煤粉/氮?dú)鈿夤虄上嗦曀?/p>

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)不同工況下氣固兩相聲速的預(yù)測(cè),并且完成兩相壅塞流量公式的推導(dǎo),需要對(duì)本文研究的煤粉流化實(shí)驗(yàn)中的氣固兩相聲速建立計(jì)算模型。

由于式(10)中所有參數(shù)均可以在實(shí)驗(yàn)1工況獲得,同時(shí)流化氣質(zhì)量流量、粉末質(zhì)量流量也已知,因此氣固兩相壅塞流量、氣固兩相混合密度均可求。從而根據(jù)式(8)可反求出氣固兩相聲速,通過對(duì)實(shí)驗(yàn)1中不同工況下氣固兩相聲速數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,可擬合出氣固兩相聲速計(jì)算公式(11)。圖8為擬合聲速曲線與實(shí)際聲速數(shù)據(jù)圖。

圖8 3 MPa流化氣總壓氣固兩相流擬合與實(shí)際聲速數(shù)據(jù)Fig.8 3 MPa gas-solid flow fitting and actual sound velocity

vm=17.331 55n2-99.510 37n+323.904 72

(11)

根據(jù)推導(dǎo)出的兩相密度公式以及擬合出的兩相聲速公式,可進(jìn)一步推導(dǎo)出煤粉/氮?dú)獾臍夤虄上噗杖髁堪虢?jīng)驗(yàn)公式(12)。將實(shí)驗(yàn)1中所有工況數(shù)據(jù)代入到式(12)中,得出各工況下的理論流量值。圖9為氣固壅塞流量半經(jīng)驗(yàn)公式擬合得到的直線與實(shí)際氣固兩相壅塞流量的值的對(duì)比圖,其中粉末流量值為圖中各工況下穩(wěn)定供粉階段對(duì)應(yīng)的粉末流量曲線的平均值?？梢钥闯鰧?shí)際流量數(shù)據(jù)基本接近于兩相壅塞流量擬合直線。

(12)

圖9 3 MPa流化氣總壓氣固兩相流擬合與實(shí)際流量數(shù)據(jù)Fig.9 3 MPa gas-solid flow fitting and actual mass flow rate

為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述煤粉/氮?dú)獾臍夤虄上噗杖髁堪虢?jīng)驗(yàn)公式,本文在流化氣總壓4 MPa,主氣路總壓1 MPa,活塞速度在10～30 mm/s下進(jìn)行了一系列流化實(shí)驗(yàn),并將實(shí)驗(yàn)獲得的實(shí)際氣固兩相聲速和壅塞流量值分別與擬合式(11)和式(12)對(duì)應(yīng)的結(jié)果進(jìn)行比較。圖10和圖11顯示了在不同的活塞速度下,實(shí)際兩相聲速與壅塞流量值同擬合的兩相流聲速曲線以及兩相流壅塞流量擬合直線的對(duì)比圖,其中粉末流量值為圖11中各工況下穩(wěn)定供粉階段對(duì)應(yīng)的粉末流量曲線的平均值。從圖中可以發(fā)現(xiàn)通過擬合的氣固兩相聲速公式所求的值與實(shí)際兩相聲速值重合度較高,并且所推導(dǎo)的氣固兩相壅塞流量半經(jīng)驗(yàn)公式可以很好地反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中實(shí)際兩相流量。

圖10 4 MPa流化氣總壓氣固兩相流擬合與實(shí)際聲速數(shù)據(jù)Fig.10 4 MPa gas-solid flow fitting and actual sound velocity

圖11 4 MPa流化氣總壓氣固兩相流擬合與實(shí)際流量數(shù)據(jù)Fig.11 4 MPa gas-solid flow fitting and actual mass flow rate

3 結(jié)論

本文搭建了一套壓差式粉末燃料供給系統(tǒng),研究了煤粉燃料的流化過程以及供粉特性,擬合了煤粉/氮?dú)鈿夤虄上嗦曀?并推導(dǎo)了兩相壅塞流量半經(jīng)驗(yàn)公式,得到以下結(jié)論:

①當(dāng)粉末供給系統(tǒng)處于穩(wěn)定供粉階段時(shí),整個(gè)供粉系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)粉末爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的穩(wěn)定輸送。

②隨著活塞速度的提高,供粉流量增加,粉末通過音速噴嘴喉部時(shí)流通面積增大,氣體流通面積就會(huì)減小,使流化腔內(nèi)壓力增加。

③在實(shí)驗(yàn)2流化氣總壓3 MPa,活塞速度為10 mm/s,主氣路總壓從1 MPa上升至2.5 MPa時(shí),主氣路壓力的變化并不影響流化腔壓力與粉末流量,表明實(shí)驗(yàn)過程中氣固兩相流達(dá)到壅塞狀態(tài)。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的相關(guān)參數(shù)計(jì)算音速噴嘴喉部處壓力與流化腔內(nèi)壓力的比值,并將其與前人擬合得到的臨界壓比公式的計(jì)算結(jié)果相比較,實(shí)際壓比小于臨界壓比,進(jìn)一步驗(yàn)證了本文各實(shí)驗(yàn)工況中氣固兩相流的壅塞狀態(tài)。

④根據(jù)流化氣總壓3 MPa的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,擬合得到的氣固兩相流聲速公式及所推導(dǎo)的壅塞流量半經(jīng)驗(yàn)公式與流化氣總壓為4 MPa時(shí)的計(jì)算結(jié)果一致性極高,因此,該擬合公式適用于壓差式煤粉/氮?dú)饬骰斔瓦^程中粉末流量的具體計(jì)算。