微尺度爆震燃烧的基础研究与微动力推进的初步探索

发布时间：2020-05-16 19:46

【摘要】：近年来,人们对高能量密度、高能量转化率和小型化的动力系统需求越来越大,但是基于常规碳氢燃料和常规燃烧方式的推进装置,其热力循环效率已经接近上限。因此,在难以改变现有燃料种类的条件下,需要一种更高效的推进方式来满足需求,而爆震燃烧作为一种能够快速自增压并释放化学能的燃烧方式,在理论上具有近似等容循环的热效率,如果将其应用于微动力推进装置,有望成为一种新的解决方案。本文基于微尺度爆震燃烧这一新概念,对受尺寸因素影响的爆震燃烧现象进行实验研究,以解决其在工程应用中需要面对的三个主要问题:1)多尺度下的DDT起爆机理;2)评估受尺寸影响的爆震冲量和比冲;3)利用微尺度爆震实现短距、快速起爆。这也是本文的主要研究内容。第一个研究内容主要涉及火焰的加速现象和机制。在光滑爆震管中,从封闭端起始的火焰在爆震产生之前会经历三个阶段的加速过程(S1-S3)。首先是点火后的指数加速(S1阶段),然后是火焰以准稳定速度传播(S2阶段),最后是火焰的再次加速(S3阶段),直至爆震产生。然而,目前几乎没有实验系统地呈现过火焰在多尺度下的加速特征,而理论分析和数值模拟又与仅有的一些实验结果存在偏差。因此,本实验对微尺度至中尺度范围下的火焰DDT过程进行了详细的定量和定性研究。变量分析的结果显示,当混合物偏富油时(Φ=1～1.5),其层流火焰速度SL和膨胀比(?)都较大,此时S1阶段的火焰最大速度vtip,max和S2阶段的准稳定传播速度(饱和速度cs)很有可能是超声速的;而当混合物处于其它当量比范围时,SL和(?)的值偏低,以上两个速度很有可能是亚声速的。通过定义特征雷诺数Re*,又进一步分析了 SL、(?)和管径d这三个因素对火焰加速的整体影响,发现当Re*处于1000～1500的临界值范围时,d恰好为8 mm,此时不同工况下的vtip,max和cs都出现了极大值,对应的无量纲火焰传播距离也更短,说明此时火焰的加速效果最好。此外,实验也证明,超声速的cs对于缩短DDT距离有很大帮助。对DDT过程的光学观测表明,S1阶段的指尖形火焰加速会产生前导激波。在S2阶段,当cs为亚声速时,指尖形火焰的裙边会逐渐追赶上火焰锋面,导致火焰减速并且变成郁金香火焰;而当cs为超声速时,二者会一直存在距离差,火焰不会呈现郁金香形态。受不同加速阶段的启发,实验还在狭缝内测试了局部障碍物对火焰加速的作用。通过阴影法观察了受障碍物影响的激波与火焰的相互作用,并发现在横截面为2×8 mm的狭缝内,对S2阶段安装障碍物效果最好。第二个研究内容是对多种尺寸和起爆条件下的光滑爆震管产生的冲量和比冲进行测量。实验对比了用推力壁压力积分法和悬摆法的结果,发现随着爆震管尺寸减小,二者测量值的差距会越来越大,这是因为它们规定的单次爆震循环时间不同,而且在使用推力壁压力积分法时,由于传感器的过冲效应,无法测量单次爆震循环后期较小的压力变化,导致该方法得到的比冲较低。前人的实验虽然证明直接起爆和DDT起爆的比冲相同,但本实验进一步发现,在DDT起爆条件下,回爆波/反传波贡献了总冲量的大部分,且DDT距离占管长的比重越小,回爆波/反传波的贡献越大。此外,实验也测试了管径、管道出口条件对推力壁压力波形的影响。通过使用悬摆法,发现冲量与长径比成正比,但比冲会随长径比的增加而先增加而后减小。当长径比为40～50时,化学恰当比的乙烯-氧气混合物的比冲会达到最大值(约为160 s～180 s),此时,管道的摩擦损失是可以忽略不计的,但在其它长径比下,能量损失会越来越大,对于细长管道尤为如此。这一结果可为爆震发动机的设计提供参考。实验还尝试测量了高初始压力下的比冲值,结果表明,比冲从初压为0.1 MPa时的约180 s,增加到初压为1.0 MPa时的约250 s,增幅为38.8%。第三个研究内容是利用预爆管内的过驱爆震来起爆主爆震室混合物。实验发现了不同预爆管长和气体配比导致的多种二次起爆模式,根据二次起爆的时间和DDT距离,确定了快速二次起爆(FDR)和慢速二次起爆(SDR)两种分类。实验发现了能使主爆震室快速起爆的无量纲参数,即预爆管内过驱爆震位置距出口的长度与预爆管总长的比值ξ。当ξ≤0.2～0.3时,快速二次起爆可以实现;当ζ0.3时,起爆模式为慢速二次起爆,主爆震室的无量纲DDT距离与ζ呈线性关系。通过对射流能量的估算,发现混合物在氮气稀释比β为0.4时,过驱爆震的能量已很难使混合物直接起爆,因此,β0.4时的FDR模式下的起爆机制,很有可能是由于主爆震室的壁面反射作用引起的。通过实验获得的胞格尺寸,估算了爆震波成功衍射所需的临界管径dc的值,与其相比,在过驱爆震和主爆震室反射作用影响下的实际预爆管径只需预期临界管径的1/7就可实现快速二次起爆。实验还进行了射流起爆与障碍物起爆效果的对比,发现射流+障碍物的组合起爆方式最有效。
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在动力研究领域，提高系统性能的方法一般有如下几种：选择高能煃量源、提高能逡逑量转化率和利用率，以及系统小型化。有文献表明［３＇４］，，目前最先进的锂电池能量密度仅逡逑有０．２ｋＷｈ／ｋｇ，是天然气的１／６０，这也是碳氢燃料被广泛利用的重要原

本文编号：2667219