单次脉冲爆震反压传播规律与抑制研究.pdf

年 月第 卷第 期西 北 工 业 大 学 学 报 ：收稿日期：基金项目：国家自然科学基金（）与陕西省创新能力支撑计划（）资助作者简介：李清安（），四川航天系统工程研究所工程师，主要从事燃烧流动与控制研究。通信作者：王可（），西北工业大学教授，主要从事爆震推进理论与工程研究。：单次脉冲爆震反压传播规律与抑制研究李清安，王可，范玮，杨海，韩俊德，黄颗，康健，高雅青，江余敏四川航天系统工程研究所，四川 成都；西北工业大学 动力与能源学院，陕西 西安；陕西省航空动力系统热科学重点实验室，陕西 西安 摘 要：脉冲爆震燃烧室（，）反压反流的前传是导致脉冲爆震发动机推力损失的主要因素。为抑制 反流的传播，采用气动抑制策略，设计出不同结构组合而成的 种隔离段，使用恰当比的乙烯 富氧空气混合物开展了单次脉冲爆震的实验研究。结果表明：当反压传播距离约为 倍 长度时，相比于基准隔离段，管（）与 倍 直径的直管组合的隔离段由于能够提供更大的膨胀空间，其反压的传播速度与峰值可分别降低约 与；相对于无 阀（）的隔离段，在安装了 阀的隔离段中，反压传播速度可再降低 以上；相对于无泄压小孔（）的隔离段，安装了泄压小孔的隔离段可降低 的反压峰值；中心锥（）的引入可大幅提高反压传播过程中的平均衰减率。在 种隔离段中，型组合隔离段结构具有最佳的反压抑制能力。相比于基准隔离段，反压在 隔离段中的传播速度降低了约，峰值降低了约，平均峰值衰减率提升了 倍左右。关 键 词：爆震；反流；压力传播；压力衰减；脉冲爆震发动机中图分类号：文献标志码：文章编号：（）爆震因燃烧速度极为迅速，导致产物来不及膨胀而产生增压。多年来，研究人员致力于将此增压燃烧特性应用于喷气推进动力系统，以期大幅提升现有动力，如冲压、涡喷、涡扇等以等压燃烧方式工作的发动机热循环效率。脉冲爆震发动机（，）利用间歇式爆震燃烧产生的高温高压燃气获得推力，是为实现上述目标而构想出的相对成熟的动力方案之一。的工作原理决定了其产生的推力不连续。为加强 工作稳定性并适当提升推力，提高其工作频率一直都是重要的研究方向。经数十年努力，研究人员已能够在脉冲爆震燃烧室（，）中使用液态碳氢燃料有效地组织高频脉冲爆震燃烧。然而，工作时周期性地产生显著高于上游来流的高压，驱动着工质逆流前传，将造成较大的推力损失。为解决该问题，国内外学者主要采取了 种策略。一是采用机械节流，即通过机械作动，物理地隔绝 与上游流道。随着排气的进行，待 内部压力下降至一定值后，机械装置再次作动，使 与上游流道重新联通，恢复供气。机械节流策略可通过各种形式的机械阀实现，包括：靠外部驱动机构，如电磁铁、电机等驱动的球阀、电磁阀或旋转阀；靠储能元件与工质压差驱动的簧片阀、单向阀或活塞；依靠高压气驱动的旋转阀。以上方案中，为满足作动机构的强度，依靠阀芯往复式作动的机械阀难以克服大流通面积与高频作动需求间的矛盾。连续作动的旋转阀不仅需要额外的驱动装置，而且面临着气流密封以及时序控制难题。这对旋转阀的设计、加工、装配均提出了很高的要求。另一种策略是气动抑制，它不包含任何作动机构，完全依赖气流与流道间的相互作用来抑制反流。气动抑制策略通过异形流道实现单向阀的功能，即正向进气流阻小、逆向流阻大。西 北 工 业 大 学 学 报第 卷其中，流道短小的可称为气动阀，而流道稍长的可称为隔离段。南京航空航天大学早年对气动阀式的 开展了大量实验研究，设计优化了各种形式的旋流器、钝体或其组合。较近的研究，已能够在自由射流条件下，采用液态燃料组织 的脉冲爆震燃烧，但获取的推力数值仍不够理想。西北工业大学的邱华、彭畅新等对 整流器式、形式与回流式气动阀进行了研究，结果表明，与来流方向呈锐角布置的刺型结构在削减反压时具有突出效果。然而，在以上研究中，采用单一构型的气动阀形式均未能有效抑制 反流，表明短小流道的反流抑制能力不足。卢杰转而尝试将不同形式的气动阀组合从而构成长流道的隔离段，得到的最优组合结构中，上游流道的长度约为 长度的 倍，导致 的轴向长度过长，难以得到实际应用。等着重对多级刺肋结构进行数值模拟，考虑了刺肋结构的角度、阻塞比等，认为该结构还可以进一步优化。上述研究均侧重于将反流约束于主流，忽视了疏导、分散反压的技术途径。为此，文献提出了一种可利用外涵道疏导反流，且在主流布置多级刺肋结构（可视为一种简化的 阀）的抑制方案，该数值模拟研究结果表明，上述结构在削减反压峰值方面作用突出。鉴于对类似结构开展的研究多为数值模拟，同时为佐证文献中的方案，本研究进一步对该方案开展单次脉冲爆震实验研究，设计出 种隔离段组合，测量了反压峰值以及离子信号沿程的分布，尝试定量描述出各类结构抑制反压反流的能力，以得到最佳的隔离段结构组合方案。实验装置与测试方法 隔离段组合设计方案本研究设计出如图 所示的组合式隔离段组（组），分别由 倍或 倍 直径的直管（或）、管、中心锥（，）、外涵泄压孔（，）以及简化的 阀的一个或多个组成。为方便叙述，用 或、以及 进行标记。如图）的 表示反流将依次经过中心锥、管、外涵泄压孔以及简化的 阀。基准组为，由中心锥和 倍 直径的直管组成。在图 中，隔离段的左端为上游，右端为下游。故来流自左向右的流动为正向流动方向。将图 中各隔离段中的中心锥去掉，可得到图 所示的 种隔离段构型（组）。本文对 组共 种隔离段中的反流传播特性进行了研究。图 组合式隔离段构型（组）图 组合式隔离段构型（组）第 期李清安，等：单次脉冲爆震反压传播规律与抑制研究 实验系统与测试方法实验系统简图如图 所示，由隔离段、燃料 氧化剂供给系统以及对应的测控系统组成。如前所述，被测试的隔离段分、组，每组各 种结构，分别包括 个基准构型与 个对照构型。组的基准构型为，组的基准构型为。分别由点火段、爆震增强段以及爆震传播段组成，总长 ，内径 。爆震增强段内采用 螺旋作为爆震增强装置。采用高压气瓶的供给方式，燃料和氧化剂从高压气瓶引出后，分别经截止阀、调压阀、电磁阀 与截止阀 后，流入气体质量流量控制器。经调节后的燃料与氧化剂再分别经过电磁阀 后流入混合室，预混后的混合物最后经过止回阀后被注入至 中。选择气态乙烯与 富氧空气作为实验用的燃料和氧化剂。此可燃混合物相对易于组织爆震燃烧，且在安全性方面显著优于原理验证实验中常用的氢气与纯氧。气体质量流量控制器通过电流控制，流量示数的精度为。其他控制系统主要用于远程控制电磁阀的作动及火花塞点火。图 实验系统示意图 测试系统基于采样频率为 、位 数字采集仪。采集的信号包括：隔离段中的反压信号，采集自 压阻式传感器（标称 精度等级），在图中按反流传播方向，用 表示；隔离段中反流的离子信号，采集自离子探针，可用的测量点在图中用绿色小点标出；爆震波传播段的压力信号，采集自 压电式传感器（标称 精度等级），用 表示。为便于展示轴向不同位置的测量结果，选取点火段与 段的法兰重合面所在位置为 轴的零点（图 中红色三角形指示处），下游的 段与爆震传播段的 取为正值，上游取负。当采用图 中的隔离段结构（组）时，与 之间的距离为（）。其中，为安装中心锥后需要延伸的轴向长度，长约 。而采用图 的隔离段结构（组）时，。此外，图 中还给出了各传感器间的安装间距，以便计算压力波的平均传播速度。图 为隔离段的剖视图，图中的红色箭头指示了测压孔具体的布置位置。传感器测量 管的喉道处的壁面压力，可直接伸入到简化的 阀中，测量相应位置处的壁面压力，且不影响外涵道工质的流通。为了防止可燃混合物被填充至隔离段中，在点火段最前端的法兰端面处夹持（）厚的薄膜（如图 中蓝色圆片所示）。实验时，保持隔离段进口与大气联通，待可燃混气向 建立通路 后才开始点火。这一方面避免瞬时开启阀门产生的气锤效应对测量过程的影响，另一方面也能够确保 中混合物组分按要求的配比进行填充。当爆震波形成后，产生的高压可轻易穿破薄膜，反压反流得以在隔离段中传播。再次进行实验时，需重新安装新的薄膜。图 隔离段剖视图及传感器（）的安装位置示意图 数据统计方法与不确定度分析 爆震波的判定与反压传播速度的确定采用飞行时间法（）估算压力波的平均传播速度，即判定压力信号通过指定位置传感西 北 工 业 大 学 学 报第 卷器的特征时刻，然后根据传感器间的距离与各特征时刻的差值来计算压力波的传播速度。由 测得的典型脉冲爆震波压力信号如图 所示。由于该压力信号的上升速度、峰值等信号特征明显，故不论采用何种特征时刻判定方式，对估算爆震波平均传播速度的影响均可以忽略。图 典型的脉冲爆震波压力信号（）然而，在基于飞行时间法来确定反压传播速度时，由于确定的特征时刻的计算方法存在差异，故估算出的传播速度亦存在较大差异。图 为基于同一组反压数据，根据 种特征时刻统计方法估算出的反压平均传播速度，包括基于信号上升沿的中值、极值、半极值、信号上升的起始点以及对两相邻传感器信号进行相关分析后的时间偏移。图 采用不同方法推测的反压平均传播速度由图 可知，采用中值与半极值确定统计特征时间所计算出的反压平均传播速度几乎相同。在 区间内，采用极值确定的反压平均传播速度相对于其他结果偏小。而基于起始点确定的反压平均传播速度则偏大。根据文献的推荐，本文选择基于相关分析法计算反压的平均传播速度。压力峰值与离子探针信号的统计在同一次实验中，不同位置压力传感器记录的典型信号如图 所示。由图可知，提取压力的峰值便可很好地反映出反压的衰减规律。在相同工况下进行多次单次实验，同位置处离子探针记录的典型信号如图 所示。由于自制离子探针未经过严格的离子浓度标定，其输出的信号强度仅能定性地表示反流中的离子浓度。在数据统计时，取其极值作为主要的信号特征。图 同一次点火实验中所记录的反应信号（）图 离子探针信号（）实验重复性验证及不确定度的计算实验时，对任意组合隔离段重复 次以上的脉冲爆震波点火实验。图 与图 分别为采用不同组合隔离段时采集的爆震波信号 以及在 构型下多次测量的 传感器信号。由图可知，多次重复实验获取的爆震波波型以及相应的反压波型高度相似，表明实验测量结果的重复性良好。实验过程中，每单次实验均可获得反压的峰值、传播速度、离子探针信号峰值以及爆震波的传播速度等数据。数据处理过程中，将对应数据的算术平均值作为被测对象真值的估计。假设实验数据满足正态分布，且具有 置信度。采用 类评定方法评估标准不确定度，并基于极差法确定标准差，第 期李清安，等：单次脉冲爆震反压传播规律与抑制研究取扩展因子为 以计算扩展不确定度。图 不同隔离段构型下采集的 信号图 多次测量采集的 信号 结果与讨论采用不同的隔离段构型时，由实验测得的 与间爆震波平均传播速度如图 所示，其中虚线为乙烯 空气在常温常压点火形成的 爆震波传播速度理论值。由图可知，在安装了不同隔离段构型的 中获得的爆震波传播速度与理论值相当，表明在实验中已获得了充分发展的爆震波。图 测量的爆震波传播速度与理论值的对比图 为测得的爆震波典型压力信号与采用不同隔离段构型时的典型反压信号。由图可知，的典型压力曲线中均包含 个波峰。其中，右波峰的形成可能由爆震波触发后产生的回爆波所引起。理由是该波峰与图 上方 信号的时间差 约为，而理论计算出的产物声速约为 ，那么在这段时间内，回爆波可传播约 。该距离约等于 与 的间距 。然而，从图 可知，的右波峰与 的波峰产生时刻非常接近，且在 的压力信号中均未出现 个波峰。所以，右波峰的出现，更有可能是在第一道高压（左波峰）作用于薄膜或者中心锥后，由薄膜破碎或者中心锥反射所形成。另外，考虑到 测点位于 的点火段，形成 个波峰的因素可能较多，有待更深入的探究。图 典型爆震波的压力信号与 压力信号反压在 组隔离段（见图）中的平均传播速度如图 所示（图中左侧为上游，右侧为下游）。由图可知，当 时，反压的传播速度在不同隔离段中的排序基本确定。注意到反压传播速度越慢，意味着抑制反压传播的能力越强，故按抑制反压传播能力排序，由大到小依次应为，。当反压传播至约 倍 长度的距离时，相对于 型基准隔离段，型隔离段由于引入了 管结构与 的直管，拥有更庞大的流动空间，更有利于高压反流的膨胀，反压的传播速度下降了。注意到抑制图 反压在 组结构中的平均传播速度西 北 工 业 大 学 学 报第 卷反压传播能力排在前两位的均包含 阀结构。相对于无 阀的 型与 型隔离段，型与 型隔离段中的反压传播速度分别下降了 与，这证明了 阀结构在抑制反压传播方面的优越性。若不在流道中安装中心锥，反压在 组结构（见图）中的平均传播速度如图 所示。同样按抑制反压传播能力排序，当 时，由大至小依次为：，。该序列与图 揭示的规律类似。当反压传播了约 倍 长度的距离时，反压在 型隔离段中的传播速度相对于 型基准隔离段下降了约。而反压在 型和 型隔离段中的传播速度相较于 型与 型隔离段分别降低了与。需指出，若比较 范围的反压传播速度，则抑制反压传播能力由大到小的序列为：，。其中，结构在序列中的位置发生了明显变化。说明该结构对下游是否包含中心锥相对于其他结构更为敏感。图 反压在 组结构中的平均传播速度反压峰值在 组隔离段中传播时的变化规律如图 所示。由图可知，在不同隔离段中，反压均随着传播的进行而衰减。反压峰值越低，说明隔离段削减反压强度的能力越佳。当反压传播 后（，约 倍 直径或 倍 长度），可明显看出不同结构反压峰值抑制能力的优劣，为。当反压传播 倍 长度的距离时，相较于 型基准隔离段，反压峰值在 型隔离段中降低了。注意到排序前 位的隔离段均包含泄压小孔结构。相较于无泄压小孔的 结构与 结构，反压峰值在 与 中分别降低了 与。图 反压峰值在 组结构中的变化规律反压峰值在 组隔离段中传播时的变化规律如图 所示。以各结构中最后一个传感器测得的压力峰值为基准，按反压峰值的抑制能力从大到小排序为：，。其中，当反压传播 倍 长度的距离时，型隔离段中的反压峰值相较于 型基准隔离段下降了约。同样可以看出，拥有泄压小孔的 型与 型隔离段中的反压峰值相较于 型与型隔离段中的反压峰值分别降低了约 与。结合图 与图 可看出，包含泄压小孔的隔离段结构在反压峰值抑制方面比较突出，包含 结构的次之。将压力峰值数据进一步处理，可得到相邻传感器间压力关于传播距离的衰减率，取算术均值后的结果如图 所示。由图可定量比较出各结构抑制反压反流能力的优劣为：。其中，拥有最大的平均衰减率，约为 型基准隔离段的 倍，而 与 以及 与 的平均压力峰值衰减率比较接近。另外，因中心锥充当了推力壁的作用，反压与反流将首先与其作用，故包含中心锥结构抑制反压的能力显著优于其他结构相同而无中心锥的结构。由图 可知，使用中心锥的隔离段（组）的平均衰减率比不使用中心锥的隔离段（组）的平均衰减率至少高约。图 为离子探针在 种结构中测得的信号峰值。由图可知，离子信号的强度随反压反流传播距离增加而降低，且在各结构中并未出现明显区别。意外的是，即使反压传播了 （，约 倍 直径或 倍 长度），仍可探测出离子信号。说明燃烧后的产物或部分未燃混合第 期李清安，等：单次脉冲爆震反压传播规律与抑制研究物，可跟随反压运动至前端。图 反压峰值在 组结构中的变化规律 图 各结构中压力峰值的平均衰减率 图 各结构中采集的离子探针信号 结 论为抑制 反流前传，降低推力损失，本研究立足于气动抑制策略，采用组合式隔离段的抑制方法，创新设计出 种不同组合的隔离段，开展了反压传播规律的实验研究，主要结论如下：）单次脉冲爆震的点火实验重复性良好。采用飞行时间法确定反压的传播速度时，不同特征时刻判别方法计算出的结果存在差异，为更准确地计算反压的传播速度，推荐使用相关分析法来确定特征时刻。）实验定量测定出不同结构对反压的抑制作用，当反压传播约 倍 长度范围内，相对于基准隔离段，管（）与 倍 直径的直管组合的隔离段中的反压传播速度与峰值可分别降低 与；安装了 阀的隔离段中，反压传播速度可再降低；安装了泄压小孔的隔离段可降低 的反压峰值；中心锥可大幅提高反压传播过程中的平均衰减率。）种组合式的隔离段中，由中心锥、管、外涵泄压孔以及 阀组合的隔离段结构（）对反压峰值与反压传播速度拥有最佳的抑制能力。相对于基准隔离段，反压在 隔离段中的传播速度降低了约，峰值降低了约，平均峰值衰减率提升了 倍左右。限于篇幅，本文仅通过实验研究了所设计隔离段抑制反压的能力，在后续研究中将讨论 高频运行条件下的反压抑制能力并测定各部件的流阻。参考文献：，：，：，（）：，（）：，：（）：于潇栋，王可，朱亦圆，等 无阀模式下液态燃料高频爆震燃烧组织方法实验研究 航空学报，：，：（）西 北 工 业 大 学 学 报第 卷 ，：，（）：，（）：彭畅新 脉冲爆震外涵加力燃烧室关键技术研究 西安：西北工业大学，：，（）马虎 簧片阀式脉冲爆震发动机研究 南京：南京理工大学，：，（），（）：，（）：郑殿峰，杨义勇，王家骅 吸气式脉冲爆震发动机钝体气动阀的设计与实验研究 北京大学学报（自然科学版），：（）：，：（）：（）宫继双 提高气动阀式脉冲爆震发动机性能的技术研究 南京：南京航空航天大学，：，（）杨光远 气动阀式 推力性能分析与实验研究 南京：南京航空航天大学，：，（），（）：，卢杰 脉冲爆震涡轮发动机关键技术研究 西安：西北工业大学，：，（），：李清安，王可，孙田雨，等 脉冲爆震发动机反压传播规律数值研究 实验流体力学，（）：，（）：（）：，张文龙 无阀式脉冲爆震火箭发动机测控方法与实现技术研究 西安：西北工业大学，：，（）第 期李清安，等：单次脉冲爆震反压传播规律与抑制研究 沙定国 误差分析与测量不确定度评定 北京：中国计量出版社，：，（），；，；，：（），（），（），（），（），：；引用格式：李清安，王可，范玮，等 单次脉冲爆震反压传播规律与抑制研究 西北工业大学学报，（）：，（）：（）（：），