【摘要】：近年來,人們對高能量密度、高能量轉(zhuǎn)化率和小型化的動力系統(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)用于微動力推進裝置,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,對受尺寸因素影響的爆震燃燒現(xiàn)象進行實驗研究,以解決其在工程應(yīng)用中需要面對的三個主要問題:1)多尺度下的DDT起爆機理;2)評估受尺寸影響的爆震沖量和比沖;3)利用微尺度爆震實現(xiàn)短距、快速起爆。這也是本文的主要研究內(nèi)容。第一個研究內(nèi)容主要涉及火焰的加速現(xiàn)象和機制。在光滑爆震管中,從封閉端起始的火焰在爆震產(chǎn)生之前會經(jīng)歷三個階段的加速過程(S1-S3)。首先是點火后的指數(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,目前幾乎沒有實驗系統(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驗結(jié)果存在偏差。因此,本實驗對微尺度至中尺度范圍下的火焰DDT過程進行了詳細(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(Φ=1～1.5),其層流火焰速度SL和膨脹比(?)都較大,此時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,SL和(?)的值偏低,以上兩個速度很有可能是亞聲速的。通過定義特征雷諾數(shù)Re*,又進一步分析了 SL、(?)和管徑d這三個因素對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,d恰好為8 mm,此時不同工況下的vtip,max和cs都出現(xiàn)了極大值,對應(yīng)的無量綱火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x也更短,說明此時火焰的加速效果最好。此外,實驗也證明,超聲速的cs對于縮短DDT距離有很大幫助。對DDT過程的光學(xué)觀測表明,S1階段的指尖形火焰加速會產(chǎn)生前導(dǎo)激波。在S2階段,當(dāng)cs為亞聲速時,指尖形火焰的裙邊會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,二者會一直存在距離差,火焰不會呈現(xiàn)郁金香形態(tài)。受不同加速階段的啟發(fā),實驗還在狹縫內(nèi)測試了局部障礙物對火焰加速的作用。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S2階段安裝障礙物效果最好。第二個研究內(nèi)容是對多種尺寸和起爆條件下的光滑爆震管產(chǎn)生的沖量和比沖進行測量。實驗對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,二者測量值的差距會越來越大,這是因為它們規(guī)定的單次爆震循環(huán)時間不同,而且在使用推力壁壓力積分法時,由于傳感器的過沖效應(yīng),無法測量單次爆震循環(huán)后期較小的壓力變化,導(dǎo)致該方法得到的比沖較低。前人的實驗雖然證明直接起爆和DDT起爆的比沖相同,但本實驗進一步發(fā)現(xiàn),在DDT起爆條件下,回爆波/反傳波貢獻了總沖量的大部分,且DDT距離占管長的比重越小,回爆波/反傳波的貢獻越大。此外,實驗也測試了管徑、管道出口條件對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,但比沖會隨長徑比的增加而先增加而后減小。當(dāng)長徑比為40～50時,化學(xué)恰當(dāng)比的乙烯-氧氣混合物的比沖會達到最大值(約為160 s～180 s),此時,管道的摩擦損失是可以忽略不計的,但在其它長徑比下,能量損失會越來越大,對于細(xì)長管道尤為如此。這一結(jié)果可為爆震發(fā)動機的設(shè)計提供參考。實驗還嘗試測量了高初始壓力下的比沖值,結(jié)果表明,比沖從初壓為0.1 MPa時的約180 s,增加到初壓為1.0 MPa時的約250 s,增幅為38.8%。第三個研究內(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。實驗發(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。實驗發(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,快速二次起爆可以實現(xiàn);當(dāng)ζ0.3時,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。通過對射流能量的估算,發(fā)現(xiàn)混合物在氮氣稀釋比β為0.4時,過驅(qū)爆震的能量已很難使混合物直接起爆,因此,β0.4時的FDR模式下的起爆機制,很有可能是由于主爆震室的壁面反射作用引起的。通過實驗獲得的胞格尺寸,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際預(yù)爆管徑只需預(yù)期臨界管徑的1/7就可實現(xiàn)快速二次起爆。實驗還進行了射流起爆與障礙物起爆效果的對比,發(fā)現(xiàn)射流+障礙物的組合起爆方式最有效。
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在動力研究領(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。有文獻表明［３＇４］，，目前最先進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：2667219