【摘要】：近年來,人們對(duì)高能量密度、高能量轉(zhuǎn)化率和小型化的動(dòng)力系統(tǒng)需求越來越大,但是基于常規(guī)碳?xì)淙剂虾统Ｒ?guī)燃燒方式的推進(jìn)裝置,其熱力循環(huán)效率已經(jīng)接近上限。因此,在難以改變現(xiàn)有燃料種類的條件下,需要一種更高效的推進(jìn)方式來滿足需求,而爆震燃燒作為一種能夠快速自增壓并釋放化學(xué)能的燃燒方式,在理論上具有近似等容循環(huán)的熱效率,如果將其應(yīng)用于微動(dòng)力推進(jìn)裝置,有望成為一種新的解決方案。本文基于微尺度爆震燃燒這一新概念,對(duì)受尺寸因素影響的爆震燃燒現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,以解決其在工程應(yīng)用中需要面對(duì)的三個(gè)主要問題:1)多尺度下的DDT起爆機(jī)理;2)評(píng)估受尺寸影響的爆震沖量和比沖;3)利用微尺度爆震實(shí)現(xiàn)短距、快速起爆。這也是本文的主要研究內(nèi)容。第一個(gè)研究內(nèi)容主要涉及火焰的加速現(xiàn)象和機(jī)制。在光滑爆震管中,從封閉端起始的火焰在爆震產(chǎn)生之前會(huì)經(jīng)歷三個(gè)階段的加速過程(S1-S3)。首先是點(diǎn)火后的指數(shù)加速(S1階段),然后是火焰以準(zhǔn)穩(wěn)定速度傳播(S2階段),最后是火焰的再次加速(S3階段),直至爆震產(chǎn)生。然而,目前幾乎沒有實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)地呈現(xiàn)過火焰在多尺度下的加速特征,而理論分析和數(shù)值模擬又與僅有的一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在偏差。因此,本實(shí)驗(yàn)對(duì)微尺度至中尺度范圍下的火焰DDT過程進(jìn)行了詳細(xì)的定量和定性研究。變量分析的結(jié)果顯示,當(dāng)混合物偏富油時(shí)(Φ=1～1.5),其層流火焰速度SL和膨脹比(?)都較大,此時(shí)S1階段的火焰最大速度vtip,max和S2階段的準(zhǔn)穩(wěn)定傳播速度(飽和速度cs)很有可能是超聲速的;而當(dāng)混合物處于其它當(dāng)量比范圍時(shí),SL和(?)的值偏低,以上兩個(gè)速度很有可能是亞聲速的。通過定義特征雷諾數(shù)Re*,又進(jìn)一步分析了 SL、(?)和管徑d這三個(gè)因素對(duì)火焰加速的整體影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)Re*處于1000～1500的臨界值范圍時(shí),d恰好為8 mm,此時(shí)不同工況下的vtip,max和cs都出現(xiàn)了極大值,對(duì)應(yīng)的無量綱火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x也更短,說明此時(shí)火焰的加速效果最好。此外,實(shí)驗(yàn)也證明,超聲速的cs對(duì)于縮短DDT距離有很大幫助。對(duì)DDT過程的光學(xué)觀測(cè)表明,S1階段的指尖形火焰加速會(huì)產(chǎn)生前導(dǎo)激波。在S2階段,當(dāng)cs為亞聲速時(shí),指尖形火焰的裙邊會(huì)逐漸追趕上火焰鋒面,導(dǎo)致火焰減速并且變成郁金香火焰;而當(dāng)cs為超聲速時(shí),二者會(huì)一直存在距離差,火焰不會(huì)呈現(xiàn)郁金香形態(tài)。受不同加速階段的啟發(fā),實(shí)驗(yàn)還在狹縫內(nèi)測(cè)試了局部障礙物對(duì)火焰加速的作用。通過陰影法觀察了受障礙物影響的激波與火焰的相互作用,并發(fā)現(xiàn)在橫截面為2×8 mm的狹縫內(nèi),對(duì)S2階段安裝障礙物效果最好。第二個(gè)研究內(nèi)容是對(duì)多種尺寸和起爆條件下的光滑爆震管產(chǎn)生的沖量和比沖進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)對(duì)比了用推力壁壓力積分法和懸擺法的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)隨著爆震管尺寸減小,二者測(cè)量值的差距會(huì)越來越大,這是因?yàn)樗鼈円?guī)定的單次爆震循環(huán)時(shí)間不同,而且在使用推力壁壓力積分法時(shí),由于傳感器的過沖效應(yīng),無法測(cè)量單次爆震循環(huán)后期較小的壓力變化,導(dǎo)致該方法得到的比沖較低。前人的實(shí)驗(yàn)雖然證明直接起爆和DDT起爆的比沖相同,但本實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),在DDT起爆條件下,回爆波/反傳波貢獻(xiàn)了總沖量的大部分,且DDT距離占管長的比重越小,回爆波/反傳波的貢獻(xiàn)越大。此外,實(shí)驗(yàn)也測(cè)試了管徑、管道出口條件對(duì)推力壁壓力波形的影響。通過使用懸擺法,發(fā)現(xiàn)沖量與長徑比成正比,但比沖會(huì)隨長徑比的增加而先增加而后減小。當(dāng)長徑比為40～50時(shí),化學(xué)恰當(dāng)比的乙烯-氧氣混合物的比沖會(huì)達(dá)到最大值(約為160 s～180 s),此時(shí),管道的摩擦損失是可以忽略不計(jì)的,但在其它長徑比下,能量損失會(huì)越來越大,對(duì)于細(xì)長管道尤為如此。這一結(jié)果可為爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考。實(shí)驗(yàn)還嘗試測(cè)量了高初始?jí)毫ο碌谋葲_值,結(jié)果表明,比沖從初壓為0.1 MPa時(shí)的約180 s,增加到初壓為1.0 MPa時(shí)的約250 s,增幅為38.8%。第三個(gè)研究內(nèi)容是利用預(yù)爆管內(nèi)的過驅(qū)爆震來起爆主爆震室混合物。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了不同預(yù)爆管長和氣體配比導(dǎo)致的多種二次起爆模式,根據(jù)二次起爆的時(shí)間和DDT距離,確定了快速二次起爆(FDR)和慢速二次起爆(SDR)兩種分類。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了能使主爆震室快速起爆的無量綱參數(shù),即預(yù)爆管內(nèi)過驅(qū)爆震位置距出口的長度與預(yù)爆管總長的比值ξ。當(dāng)ξ≤0.2～0.3時(shí),快速二次起爆可以實(shí)現(xiàn);當(dāng)ζ0.3時(shí),起爆模式為慢速二次起爆,主爆震室的無量綱DDT距離與ζ呈線性關(guān)系。通過對(duì)射流能量的估算,發(fā)現(xiàn)混合物在氮?dú)庀♂尡圈聻?.4時(shí),過驅(qū)爆震的能量已很難使混合物直接起爆,因此,β0.4時(shí)的FDR模式下的起爆機(jī)制,很有可能是由于主爆震室的壁面反射作用引起的。通過實(shí)驗(yàn)獲得的胞格尺寸,估算了爆震波成功衍射所需的臨界管徑dc的值,與其相比,在過驅(qū)爆震和主爆震室反射作用影響下的實(shí)際預(yù)爆管徑只需預(yù)期臨界管徑的1/7就可實(shí)現(xiàn)快速二次起爆。實(shí)驗(yàn)還進(jìn)行了射流起爆與障礙物起爆效果的對(duì)比,發(fā)現(xiàn)射流+障礙物的組合起爆方式最有效。
【圖文】：

在動(dòng)力研究領(lǐng)域，提高系統(tǒng)性能的方法一般有如下幾種：選擇高能煃量源、提高能逡逑量轉(zhuǎn)化率和利用率，以及系統(tǒng)小型化。有文獻(xiàn)表明［３＇４］，，目前最先進(jìn)的鋰電池能量密度僅逡逑有０．２ｋＷｈ／ｋｇ，是天然氣的１／６０，這也是碳?xì)淙剂媳粡V泛利用的重要原

本文編號(hào)：2667219