新型凹入式螺旋结构增爆器的实验研究

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1、第1卷第3期2010年8月航空工程进腱AI)VANCESlNAER()NAU，Il【’ALS【：lENCE人NI)ENGlNEERINGV01．1N0．3Aug．2010文章编号：1674—8190(2010)03—280—05新型凹入式螺旋结构增爆器的实验研究谢开成，范玮，严传俊，王育虔，彭畅新(西北工业大学动力与能源学院。西安710072)摘要：本实验以脉冲爆震火箭发动机(简称PDREs)系统为实验平台，以液态航李煤油作为燃料，以雎缩氧气作为氧化剂，以压缩氮气作为隔离气，分别对安装三种不同截面形式(半圆

2、形、方形、■角形)的凹入式螺旋结构增爆器以及作为基准的Shchelkin螺旋结构增爆器进行了实验研究。实验结果表明。三种不M截面的【lq人式增爆器均能有效强化爆燃向爆震转变(DDT)过程．在长径比为12．17的增爆器。p均获得J，允分发展的爆震波，实现厂成功起爆。在流阻损失方面，半圆形【lq入式螺旋结构表现出r最好的件能，其推力比Shchelkin螺旋的基准推力高出12个百分点。在多次实验过稃l

3、J发现，凹入式螺旋结构比Shchelkin螺旋结构更小易烧蚀，工作町靠性更高。关键词：脉冲爆雀火箭发动机；爆燃向

4、爆震转变；凹入式螺旋；爆震增强中图分类号：V231．2文献标识码：A0引言ExperimentalInvestigationonNewDDTEnhancementwithRutSpiralXicKaicheng，FanWei，YanChuanjun。WangYuqian。PengChangxin(SchoolofPowerandEnergy，NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi’an710072，China)脉冲爆震发动机(PulseDetonationEngines

5、，简称PI)Es)凶它的简单性、低成本、低重量和宽广的工作范围引起了极大的兴趣，其中爆震的起爆足最关键的问题。一般地，爆震起爆有两种方式，直接起爆和间接起爆。直接起爆几乎没有燃料在低压中爆燃的时间，但是它需要利川一个高能量源来点燃可燃混合物，以丙烷／空气为例，直接起爆需要106J的能量，这势必增加整个系统的重量和复杂收稿日期：2010—04—09；修回日期：20100506通信作者：范玮，weifan419@nwpu．edu．ca度，从而降低了脉冲爆震发动机的整体效能。于是研究的焦点转移到间接起爆上来，即通

6、过爆燃向爆震的转变(DeflagrationtoDetonationTransition，简称DDT)来形成爆震波。为r最优化PI)Es性能和达到高工作频率，要尽可能地缩短燃料在低压爆燃中的燃烧时间，因此要尽可能地减小I)I)7F的时间。目前一般采川的方法是在爆震管内布置障碍物或腔结构来强化爆燃向爆震过程的转变。障碍物多种多样，现在一般采』H的是Shchelkin螺旋，前人对Shchelkin螺旋做r人量的研究。文献[1]研究rShchelkin螺旋参数对DIYI、距离的影响，发现在最高55．6％的阻塞比时

7、能够在12．5倍螺旋长的爆震管内实现成功的并可自维持的DDT。文献[2]利用高速摄影技术跟踪火焰的传播，利用瞬时．mno盯．三”小一一一一一一舢础池一～h一一．m册凯舱．叭幅]n．地p“．卜n叮～叫_霎枷一m吼∞～一一一一～帆一删～一一一咖一一酬山一汕～ni．重一一一～一～～～～加咖¨№舭№州～～～一～一一．一一一一一一一～一～一～耐～～～一组．Ⅸ盯¨

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10、然葺～一一一一．一～一～n一‰删_薹孤m一州～～～一一一～～一第3期谢丌成等：新犁凹人式螺旋结构增爆器的实验研究28l压力波形来记录爆

11、震波结构的发展，发现在Shchel-kin螺旋结构中，局部爆炸沿着螺旋传播，另外，连续的螺旋结构导致了横向和螺旋状的爆震波传播模式，这种模式可能增强了火焰和激波前锋的耦合作用。文献[3]着苇研究了气流湍流度埘DDT距离的影响，随着气流雷诺数的增加，DDT距离明显缩短，缩短到静态流体I)DT距离的1／6。另外，研究者发现，当量比对DDT的距离也有一定的影响，当量比的变化能改变DDT的距离，但是不会改变I)I)T转变的机理。详见文献[43。爆燃向爆震转变的过程是一个极其复杂的过程，涉及爆燃波、激波、反射激波、边

12、界层、化学反应，以及它们之fbJ的相互作用，可燃气中爆燃向爆震的转变一般存在两种理沦，一是爆燃向爆震的转变过程中，燃烧产物的膨胀引起火焰加速，在激波与火焰f’ⅡJ形成压缩波，在火焰锋面前和锋面内产生湍流，致使火焰锋面扭曲，燃烧面积扩大，从巾i使火焰传播速度大大增加。二是激波(包括一系列的反射激波)与火焰1．口j的相互作用，产生并维持r一高度湍流的火焰刷，该湍流被持续的激波和火焰问的作用全面、反复地增强，在湍流火焰