试验所用爆震管装置如图1所示,分为头部、DDT段和加长段3个部分。其中甲烷及氧气由头部接入,通过同轴剪切喷嘴实现掺混,并由火花塞点燃,火焰在DDT段中完成缓燃转爆震的过程。DDT段的圆管内部加装弹簧,起促进DDT过程的作用^[20]。DDT段后接加长段,用于测量爆震波通过时的压力数值。整个管道内径为10 mm,尾端未设置喉部。

图1 爆震管示意图
Fig.1 Schematic of detonation tube

试验中,利用气源储箱对爆震管进行气体供应,每一路所用孔板固定不变,通过调节供气压力来调节流量。CH₄路供气压力在0.58～0.86 MPa范围内,O₂路为0.27～2.74 MPa。先后对4种供气时序进行了测试,每种时序详情如表1所示,每种时序均可实现爆震管的满填充。

表1 点火时序
Tab.1 Ignition sequences

爆震波波速是试验中获取的重要数据,其计算方法为两脉动压力传感器座间的距离除以爆震波传播通过两个传感器测点所需的时间,即

v=Δx/Δt^-(1)

式中:v为爆震波传播速度; Δx为相邻两传感器距离; Δt^-为多次测量得到的爆震波锋面时间差的平均值。爆震波传播速度v的误差分析方法参见文献[21]。计算可知,当理论爆震波波速为2 389.2 m/s时,试验用装置及测量系统测量结果为(2 389.2±93.64)m/s,可认为测量误差对是否产生爆震的判定不产生影响,在可以接受的范围内。

试验测试了不同点火时序(表1)下当量比在0.47至7.05范围内的一系列工况。记安装在加长段上游的脉动压力传感器为1^#,下游为2^#,则测得的典型脉动压力曲线如图2所示,该图显示了氧气孔板前压力0.86 MPa、甲烷孔板前压力0.59 MPa、当量比为1.54时加长段中测得的压力曲线。当爆震波经过压力测点时,压力曲线出现一个陡峭的峰值,1^#测点测得的峰值压力为2.202 MPa,2^#测点测得峰值压力为2.428 MPa。随后曲线缓缓下降,此阶段压力变化符合Taylor波的变化规律。当爆震波从下游管口传出后,膨胀波开始向上游反传,测点压力值不断降低,直至环境压力。记录1^#和2^#脉动压力传感器捕捉到爆震波峰值压力的时刻,即可由式(1)计算得到爆震波在加长段中的传播速度。计算得到爆震波传播速度为2 625.0 m/s,与CEA计算得到的CJ速度2 591.1 m/s相比略高,这一差别可认为由测量误差造成。

图2 压力—时间曲线
Fig.2 Pressure-time traces

通过上述测量方法,试验共获得38个数据点,各工况下的爆震波速度如图3所示,图中黑实线和虚线分别表示由CEA计算得到的CJ爆震速度和燃气中的声速。从中可以看出按照当量比的大小不同,其对爆震波形成及爆震波参数的影响可分为4个区域。

1)当量比较小(<0.75)时,管中点火成功率不高。

2)当量比在0.75～1.12范围时,火焰传播速度得到一定的提升,但未加速至产生爆震波的情况。火焰被加速至约70%～100%燃气声速。

3)当量比在1.4～3.4范围内时,试验测得的爆震波速度与CJ速度相当。然而并非该当量比范围内的所有工况均能形成爆震,分析认为能否形成爆震与多种因素相关,如管中的湍流强度等,仅有适合的当量比不足以保证爆震的形成。

4)当量比上升至4.2后,出现起爆困难。

图3 不同点火时序下测得的压力波传播速度
Fig.3 Pressure wave velocities under different ignition sequences

试验中涉及到的4种时序皆为氧气和甲烷气同时开启同时关闭,时序2中在氧气、甲烷供气停止后间隔1s再使火花塞放电,在时序1、3、4中均为供气停止后火花塞立即放电,区别在于填充时间长度不同。

图3中展示了不同时序下的点火情况,从图中可见,包含了1 s间隔的时序2无法点燃管中气体,原因在于在停止供气的1 s内,可燃气体向管道下游流动,爆震管头部没有气体补充,使得头部可燃气压力过低,混气浓度低,难以点燃。采用时序4时未形成爆震可能由于工况安排较少及试验中的误差造成,为进一步探明原因需增加试验次数,并综合考虑分析管中的湍流状态。

本节研究使用的试验装置为在第1.1节中使用装置的基础上,在其DDT段中替换不同尺寸的弹簧,即变化Shchelkin螺旋的几何尺寸得到。涉及弹簧的规格如表2所示。

表2 弹簧规格
Tab.2 Spring specifications

试验中向搭载不同阻塞比弹簧的爆震管及不搭载弹簧的光管通入不同当量比的甲烷/氧气气体并使用火花塞点火,通过加长段上的两个测点测得管中气体的压力及燃烧波传播速度。

试验中测得的压力波形可分为如下3类,如图4所示。

图4(a)所示情形加长段2个压力测点测得的峰值压力超过70% CJ速度,且计算得到的压力波传播速度与CJ速度相近,可认为此时管中产生了爆震波; 图4(b)中2个压力测点获得的峰值压力较低,约为CJ压力的20%～40%,该种现象称为快速火焰(fast flame)^[27],是一种火焰传播速度被提升,但无法发展成爆震的情况; 图4(c)中,1^#压力测点获得的压力数值始终较为平稳,2^#压力测点在火花塞放电后的一段时间后出现一次小范围波动,认为是火花塞放电脉冲造成,分析认为该种波形对应的管中现象可以有3种:未点燃、慢速火焰(slow flame)或发生全局淬熄。慢速火焰即管中气体点燃后始终保持较弱的缓燃状态,燃烧波传播速度慢,火焰面前后压差小。全局淬熄指管中气体在点燃后,在与障碍物的作用中发生了全面熄灭。

图4 3类压力波形
Fig.4 Three types of pressure wave form

对搭载不同阻塞比弹簧的爆震管通入不同当量比的甲烷/氧气气体后点火,分析加长段中两个压力测点获得的压力数据,依照上述方法对管中发生的燃烧现象进行判断和分类,获得图5。

为了表述方便,下文中将未点燃、慢速火焰及全局淬熄3种情况统称为“情况三”,分析图中数据点可发现以下特征:

1)阻塞比在试验涉及的0.12～0.42范围内时,无论阻塞比的大小,当量比在1.5左右时管中均能产生爆震。由CEA计算知,该工况下CJ速度的峰值出现在当量比约为1.8时,可认为当混气当量比处于爆震波释放能量最大时,DDT发生的可能性最大,此时阻塞比的大小对是否形成爆震影响较小。

2)阻塞比从0.12向0.42增大的过程中,能产生爆震的当量比范围逐渐扩大。

3)当阻塞比较小(阻塞比小于0.3)时,快速火焰和“情况三”之间的界限不明显,即在当量比偏离化学恰当比较多时,快速火焰和“情况三”均有发生的可能。

图5 不同障碍物阻塞比(BR)及混气当量比下的燃烧状态
Fig.5 Combustion modes under different block ratios(BR)and equivalence ratios

当量比决定了可燃混气的释热能力,混气的释热能力决定了火花塞放电后管中会出现何种燃烧现象,释热能力越强则发生DDT过程的可能性越大,当释热能力过小时,在障碍物的影响下,则有熄灭的可能。障碍物对火焰的作用包含了促进和抑制两个方面,选取合适的阻塞比及当量比将更有益于爆震的形成。本节中得到的结论主要着眼于阻塞比与当量比共同作用于燃烧波时其间的关系,试验中使用了不透明的不锈钢管故不便于测得DDT距离,进一步的研究拟采用光学管并获得障碍物在缩短DDT距离,即缩短爆震波点火器长度方面的影响效果。

试验所用装置如图6所示。试验装置分为头部、弯管、加长段3个部分,3部分之间由法兰相连。其中头部与1.1节中介绍的相同,加长段由1.1节中的DDT段去掉弹簧充当。整个管道内径为10 mm。弯管段由一组不同弯曲半径的弯管替换件组成,在试验中可变换弯管曲率半径,弯管内侧弯曲半径R(图6所示)分别为40、70、90 mm,弯管截面外径为14 mm,即弯管轴线半径为47、77 mm、97 mm。在弯管的两端设置有两个脉动压力传感器安装座(1^#、2^#)。对于每种轴线半径的弯管,共制作2根,其中一根管中置入弹簧,另一根管内光滑。置入弹簧规格与1.1节中相同,为丝径2.1 mm、外径10 mm、节距8 mm。加长段用于测量弯管下游爆震波峰值压力及波速,加长段尾部为3^#压力传感器安装座。2^#与3^#间的距离固定不变为236 mm。

图6 弯管几何尺寸
Fig.6 Schematic of U shape tube

考察试验中在3个测点测得的压力曲线,发现所得曲线可归为以下几种典型形式,如图7所示。

图7 压力波形
Fig.7 Pressure wave forms

3.3 弯曲半径对燃烧现象的影响

图8展示了装有弹簧的不同轴线半径的弯管中火焰传播现象与当量比的关系。总体而言,当量比在1～2范围内时,可通过装有弹簧的弯管形成爆震波,使爆震波点火器的包络尺寸在长度方向大大缩减。如将1.1节中230 mm的DDT段换为R=77 mm的弯管,则长度减小了153 mm。随着当量比的增加,DDT过程逐渐变得困难,弯管对火焰的发展显现出抑制作用。对比不同轴线弯曲半径的弯管,半径较大时(R=97 mm),在高当量比区域弯管对火焰发展的抑制作用十分强烈,这是由于大半径弯管的弯管段长度较大,火焰在弯管中传播的距离更长。

图8 不同弯曲半径及当量比下的燃烧状态(障碍物管)
Fig.8 Combustion status under different bending radius and equivalence ratios

3.4 弯管中DDT增强装置的作用

图9就相同弯曲半径下置入弹簧与否进行了对比。在两个97 mm弯管的对比中可以发现,比起置入弹簧,在高当量比范围时光滑管对火焰的抑制作用较弱。对于弯管形式的爆震管,障碍物形式的爆震增强装置易于表现出其抑制火焰传播方面的作用,应根据混气当量比,更为谨慎的选用障碍物形式的爆震增强装置。

图9 有无DDT增强装置下的燃烧状态
Fig.9 Combustion status with or without DDT enhancement device