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U型方管中爆燃向爆震轉變特性實驗研究

文檔作者：邱華王瑋范瑋熊姹文檔來源：西北工業(yè)大學動力與能源學院		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年09月05日
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上一篇：爆燃壓裂油井產(chǎn)能電模擬實驗評價

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航空學報
Acta Aeronautica et Astronautica Sinica
Jun．25 2015 V01．36 No．6 1788-1794
ISSN 1000．6893 ON 11．1929／V
http：dhkxb．buaa．edu．ca hkxb@buaa．edu．cn
U型方管中爆燃向爆震轉變特性實驗研究
邱華*，王瑋，范瑋，熊姹
西北工業(yè)大學動力與能源學院，西安710072
摘要：以脈沖爆震發(fā)動機(PDE)用曲管爆震燃燒室為應用背景，對氣相(乙烯／空氣)燃燒波在U型方管實驗器中的傳
播過程進行了實驗研究。通過改變實驗器中彎曲段進口氣流入射激波強度，基于彎曲段內(nèi)壓力、波速的測量及高速攝影
實驗得到了U型方管實驗器中半圓型彎段內(nèi)的爆燃向爆震轉變(DDT)特性。結果表明，彎曲段中DDT特性受到入射
激波速度的影響：當入射激波速度小于794 m／s(43．6％％，％J為理論Chapman—Jouguet爆震波速)，在彎曲段內(nèi)不能形
成爆震；當入射激波速度介于870～908 m／s(47．8％VcJ～50．0％VcJ)之間，彎曲段內(nèi)首先會產(chǎn)生局部爆炸，并最終形成
爆震；當入射激波速度大于934 m／s(51．3％VcJ)，爆燃波可以直接在彎曲段人口轉化為爆震波。
關鍵詞：爆震；爆燃向爆震轉變；U型方管；脈沖爆震發(fā)動機；曲管爆震燃燒室
中圖分類號：V231．2 文獻標識碼：A 文章編號：1000—6893(2015)06—1788—07
脈沖爆震發(fā)動機(Pulse Detonation Engine，
PDE)是一種基于脈沖爆震燃燒方式的新型發(fā)動
機n]。經(jīng)過多年研究，PDE在燃料的噴射與混
合、穩(wěn)定點火、可靠起爆及爆震過程的精確控制等
關鍵技術方面取得了很大突破。然而為實現(xiàn)
PDE的高性能推進優(yōu)勢，仍有很多關鍵技術需要
突破[2]，其中最核心的是在最短距離內(nèi)獲得充分
發(fā)展的爆震波。目前普遍的起爆方式為間接起
爆，采用較低點火能量利用爆燃向爆震轉變(Deflagration
to Detonation Transition，DDT)的方式
實現(xiàn)，這種方式點火系統(tǒng)簡單。
然而研究表明，當前直管中碳氫燃料和空氣
混合物的DDT距離較長[3。5]，這使得爆震燃燒室
長度變長，不利于PDE的工程應用。為縮短爆震
室軸向尺寸，曲管爆震室被提出[5]，即以彎曲或螺
旋構型爆震室替代現(xiàn)有國內(nèi)外普遍研究的直管爆
震室。目前對曲管中DDT特性的研究較少，主
要針對管道內(nèi)爆炸安全[7銣及連續(xù)旋轉爆震發(fā)動
機∞。如等研究爆震波在曲管中的傳播及穩(wěn)定特
性。由于爆震波的傳播具有自持性，當前研究通
過改變曲管曲率，已獲得爆震波在曲管中傳播的
定量研究規(guī)律[9。10|。
曲管中DDT特性研究只是在最近幾年才開
始，F(xiàn)rolov等n 2。川在爆震管中添加U型段或螺
旋段可以加速直段處DDT的過程，并指出彎曲
管中激波的碰撞、反射對直段中DDT起到主導
作用；Wang等[15]通過實驗研究了不同螺旋段內(nèi)
的DDT過程，驗證了曲管爆震室的可行性。相
比于爆震波傳播的自持性，DDT過程涉及波的壓
力和傳播速度的劇烈變化，曲管曲率、曲管流通面
積及氣流流人曲管的狀態(tài)等都對曲管中的DDT過
程產(chǎn)生影響，然而當前研究仍處于定性研究階段。
收稿日期：2014—06—05；退修日期：2014—08—01：錄用日期：2014-09—24；網(wǎng)絡出版時間：2014．11-02 09：16
網(wǎng)絡出版地址：WWW cnki．net／kcms／deta’l／1 0．7527／S1 000—6893．20 1 4．0269．html
基金項目：國家自然科學基金(50906072，51306154)；中央高校基本科研業(yè)務費專項資金(3102014JCY01003)
*通訊作者．Tel，：029—88460756 E—mail：qiuhua@nwpu，edu cn
荸{撼格式|Qiu H，Wang W，F(xiàn)an W，et a1．Experimental investigation on characteristics of deflagration to detonation transition in U-bend
square tube[JJ．ActaAeronautica etAstronauticaSinfca，2015，36(6)：1788—1794．邱華，I瑋，范瑋，等．U型方管申爆燃向
爆震轉變特性實驗研究!J]航空學報．2015．36(6)：1788—1794
萬方數(shù)據(jù)
邱華等：U型方管中爆燃向爆震轉變特性實驗研究
針對此，本文以U型方管實驗器為研究對
象，采用乙烯／空氣為可爆混合物，通過改變彎曲
段進口氣流入射激波強度，基于壓力、波速測量及
高速攝影定量研究了U型實驗器中半圓型彎段
內(nèi)的DDT特性。研究結果給出了曲管中DDT
過程的特點及類型，對曲管爆震室的設計及連續(xù)
旋轉爆震發(fā)動機起爆過程的理解具有指導意義，
并為進一步開展理論分析及其他因素的影響研究
蓖定了基礎
1實驗裝置及測量方法
U型方管實驗器由混合點火段、彎曲段及延
伸段三部分組成，裝置示意圖如圖1所示，其流通
截面為60 mm×60 mm的矩形，可燃氣體由混合
點火段上游開始填充，燃燒產(chǎn)物由延伸段下游排
出。混合點火段和延長段分別為長l 915 mm和
715 mm的直段，彎曲段為內(nèi)壁面內(nèi)半徑為
2n5 mm的半圓．
圖1 U型方管實驗器裝置示意圖
Fig．1 Schematic of experimental setup of U—bend square tube
在混合點火段上，設置有燃料和空氣進口，兩
者進口在實驗器上下壁面對稱布置，其中燃料進
口設定在距實驗器進口左端面150 mm處。為在
彎曲段進口實現(xiàn)不同強度的燃燒波狀態(tài)，在燃料
噴射下游上壁面設有4個點火位置，其間距為
100 mitt，具體位置如圖1所示。點火位置下游，
在實驗段上壁面等間距(100 ram)設置傳感器安
裝座?；旌宵c火段上下內(nèi)壁面等距設有障礙物安
裝孔，相鄰兩個障礙物安裝孔之間的間距為
50 mm，實驗中使用的障礙物形式為10 mm x
10 mm×60 mm的條形障礙物。通過改變混合
點火段內(nèi)障礙物的安裝位置以及數(shù)量，可以實現(xiàn)
彎曲段進口不同強度的燃燒波狀態(tài)。
彎曲段位于混合點火段下游，在彎曲段外壁
面以20。間距設有9排傳感器安裝座，彎曲段前后
壁面設有3個開度為40。的可視窗口，以觀察彎曲
段內(nèi)火焰?zhèn)鞑デ闆r。
采用乙烯／空氣為可燃混合物，維持當量比為
1．0±0．05，點火方式采用汽車火花塞點火，點火
能量為50 mJ。采用7個(P?！玃，)高頻響壓電式
壓力傳感器測量實驗器內(nèi)部壓力變化，其安裝位
置如圖1所示，其中P。距離混合點火段出口
65 mm；P。～P，位于彎曲段外側，用于測量彎曲
段內(nèi)壁面外半徑為265 mm處的壓力變化特性。
P2距離彎曲段入口弧線長度61．25 mm；P?！玃。
等間距布置，相鄰傳感器之間的弧線長度均為
92．5 mm，P。和P，之間的弧線長度為370 mm，
P，距離彎曲段出口61．25 mitt。
在實驗中所有壓力信號均通過16通道
DEWETRAN數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集處理，其采樣率
為200 K／s。采用PhantomV7．2高速攝影拍攝
彎曲管內(nèi)火焰的傳播情況。
2實驗結果及分析
實驗首先將火花塞置于圖1中點火位置1
處，其距混合點火段進口450 mm?；旌宵c火段
內(nèi)采用交錯式障礙物布置方式，第一個障礙物位
于混合點火段下壁面(點火孔相對的壁面)，其安
裝位置距離進口950 mm，隨后上下壁面交錯等
距布置障礙物，同一壁面相鄰兩個障礙物之間的
萬方數(shù)據(jù)
航空學報
距離為100 mm，最后一個障礙物位于上壁面，其
距離進口1 850 mm。
實驗所測得的各位置壓力波形如圖2所示，
由圖可見，P。～P7位置壓力峰值均接近4．0 MPa，
大于Chapman—Jouguet(C—J)壓力(PcJ一1．82
MPa)。且在P?！玃。之間，激波的平均傳播速度
約為1 929．3 m／s(歷經(jīng)距離基于傳感器間弧線長
度，歷經(jīng)時間基于傳感器信號激波前緣，如圖2所
示)，在P?！玃，之間激波平均傳播速度為2 005．4
m／s，均大于C-J速度(VcJ一1 820．9 m／s)。這表
明在彎曲段入口之前爆震波已經(jīng)形成。
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圖2 不同位置壓力波形
Fig．2 Pressure histories at different positions
圖3是彎曲段內(nèi)火焰自發(fā)光圖，圖中t為從
點火時刻開始至火焰?zhèn)鞑ブ翉澢稳肟诘臅r間，
高亮區(qū)域代表了生成CO：和H。O的高溫區(qū)域，
黑色區(qū)域與高亮區(qū)域之間的過渡段代表了火焰鋒
面的位置?；鹧嬖趶澢蝺?nèi)的傳播速度約為
1 956．7 m／s，這與基于壓力曲線所計算的激波傳
播速度基本吻合。
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I+0“s ，+100 Us t+200 las t+300 IIs t+400¨s
圖3彎曲段內(nèi)火焰自發(fā)光圖
Fig．3 High—speed photos of self-luminous field in bend
section
在此基礎上通過改變其障礙物數(shù)量及相應的
點火位置等參數(shù)研究曲管內(nèi)的DDT特性，具體
設置如表1所示。其中點火位置代表火花塞距離
混合點火段人口的距離；障礙物個數(shù)代表在圖2
對應實驗基礎上添加或者拆除障礙物的個數(shù)，其
中“+”代表從靠近混合點火段進口第一個安裝位
置開始沿氣流運動相反方向依次安裝障礙物，
“一”代表由第一個障礙物安裝位置開始沿氣流運
動方向依次拆除障礙物。
表1 障礙物以及點火位置參數(shù)
Table 1 Parameters of obstacles and ignition positions
Test No． Ignition position／mm Obstacles
圖4是按照表1對管內(nèi)障礙物以及點火位置
進行調整后所測得的彎曲段各位置處壓力峰值和
速度曲線，其中P?！玃，對應圖1所示P，～P，傳
感器安裝位置，壓力數(shù)值為傳感器所得壓力峰值，
速度代表相鄰傳感器之間的平均速度。由圖4可
以發(fā)現(xiàn)，不同強度爆燃波在彎曲段內(nèi)的變化規(guī)律
大致可以分為3種類型：①如Test 1～Test 5所
示，當激波壓力峰值小于1．0 MPa、入射激波速度
小于794 m／s(43．6％VcJ)時，在彎曲段內(nèi)其壓力
數(shù)值變化并不明顯，速度會因為彎曲段的加速作
用有所上升，但經(jīng)過加速后速度上升有限，在傳播
出爆震管出口時，其速度數(shù)值小于C—J速度，彎曲
段內(nèi)沒有形成爆震；②如Test 6～Test 8所示，當
爆燃波壓力峰值介于1．0～1．5 MPa之間，且入
射激波速度介于870～908 m／s(47．8％Kl～
50．0％Vq)之間時，通過彎曲段的加速作用，可以
1
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3
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萬方數(shù)據(jù)
邱華等：U型方管中爆燃向爆震轉變特性實驗研究
轉變?yōu)楸鸩?；③如Test 9～Test 14所示，爆燃
波壓力峰值大于2．0 MPa、人射激波速度大于
934 m／s(51．3％VcJ)，在彎曲段入口位置，即在
P：～P。之間爆燃直接可以轉變?yōu)楸稹?
圖5為傳入彎曲段激波速度小于794 m／s
時，通過高速攝像機得到的典型火焰自發(fā)光圖。
當激波速度小于794 m／s時，爆燃波在彎曲段內(nèi)
傳播的火焰鋒面為斜面狀，且其主要沿著彎曲段
內(nèi)凸壁面移動。從圖5中火焰亮度可以看到，火
焰?zhèn)魅饲芤鹎苤械牡谝淮胃吡猎趖+0“s
時刻；￡+440“s時刻彎曲段中部內(nèi)凸壁面出現(xiàn)第
二次高亮，此時內(nèi)凹壁面處仍是暗區(qū)；z+l 440肛s
Position
a)Pressure peaks ofTests 1·7
時刻管內(nèi)出現(xiàn)第三次高亮，彎管內(nèi)所有混合物被
點燃。
圖6給出了表1中Test 2實驗中不同位置
的壓力曲線，可以看到壓力波形也存在與火焰自
發(fā)光圖相對應的三道壓縮波，第一道傳播方向由
彎曲段進口傳向出口，第二道和第三道的傳播方
向與其相反。
圖7為人射激波速度介于870～908 m／s時
彎曲段內(nèi)的火焰自發(fā)光圖。在燃燒波開始傳播進
彎曲段時，其火焰鋒面與圖5中的類似，呈斜面。
但是隨著激波在彎曲段內(nèi)的加速，如圖7中圓圈
內(nèi)所示區(qū)域，在靠近外側凹壁面區(qū)域會產(chǎn)生“熱
Position
b)Wave propagation speeds ofTests 1-7
Position Position
(c1 Pressure peaks ofTests 8-14 (d)Wave propagation speeds ofTests 8-14
圖4彎曲段內(nèi)的壓力峰值和激波傳播速度曲線
Fig．4 Pressure peaks and propagation speeds of shock wave in bend section
，+O p．s t+280岫t+440 gs t+760 las t+800 gs
圖5 彎曲段內(nèi)火焰自發(fā)光圖(激波速度小于7
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航空學報Jun 25 2015 VoI．36 No．6
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圖6不¨位置壓力波形(Test 2)
Fig．6 Pressure histories at different positions(Test 2)
點”，即高溫高壓區(qū)域或者說局部爆炸，且隨著爆
燃波在彎曲段內(nèi)傳播，熱點區(qū)域逐漸擴大，與爆燃
鋒面耦合，火焰瞬間加速，并最終與激波鋒面耦合
形成爆震。
圖8給出了表1中Test 8實驗中不同位置
的壓力曲線，相比于圖2中爆震波的傳播，圖8中
P。位置發(fā)出第二道壓縮波，其向彎曲段上下游傳
播，向下游傳播的壓縮波與第一道壓縮波匯合，最
終形成爆震波，結合圖7火焰自發(fā)光圖可以看出，
凹壁面對DDT起著至關重要的作用。
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圖i彎曲段內(nèi)火焰自發(fā)光倒(激波速度介十870～908 m／s)
Fig．7 High-speed photos of self-lumino,ls field in bend section(shock wave speed between 870 m／s and 908 m／s)
幽8一i蚓位置壓力波肜㈡、est 8 J
Fig．8 Pressure histories at different positions(Test 8)
圖9為入射激波速度大于934 m／s時彎曲段
內(nèi)傳播火焰自發(fā)光圖。此時，進入彎曲段爆燃波
鋒面很快由斜面狀轉化為與截面相齊的平面狀，
并以恒定的速度向彎曲段出口傳播。圖10給出
了表1中Test 10實驗中不同位置壓力曲線，可
以看到有兩道壓縮波從P，位置向下游傳播，在
P。位置兩道壓縮波匯聚形成爆震波，由于P。位
置位于直段末端，這表明此時曲段內(nèi)DDT的轉
變是由于上游直段內(nèi)壓縮波匯聚形成。
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圖9 彎曲段內(nèi)火焰自發(fā)光幽(激波速度大于934 m／s)
Fig．9 High—speed photos of self-luminous field in bend section(shock wave speed>934 m／s)
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圖10不同位置壓力波形(Test 10)
Fig．10 Pressure histories at different positions(Test 10) E7]
3結論
不同強度的爆燃波在彎曲段內(nèi)傳播特性是不
同的，其最終能否在彎曲段內(nèi)轉變?yōu)楸鸩?，與傳
人彎曲段的激波速度大小有關：
1)當激波速度小于794 m／s(43．6％VcJ)時，
由于彎曲段的加速作用，激波速度在彎曲段內(nèi)稍
微增加，同時燃燒波在彎曲段內(nèi)主要沿內(nèi)側凸壁
面移動，爆燃波不能轉化為爆震波。
2)當激波速度在870～908 m／s(47．8％％～
50．0％V。．)范圍內(nèi)時，在彎曲段外側凹壁面上會
產(chǎn)生高溫高壓熱點，形成局部爆炸，并隨著燃燒波
的移動，爆炸波和燃燒波耦合，最終形成爆震。
3)當激波速度大于934 m／s(51．3％VcJ)時，
激波速度和燃燒波速度在彎曲段入El位置很快匹
配，燃燒波鋒面由斜面狀轉化為與截面相齊的平
面狀，爆燃波轉化為爆震波，并以恒定的速度向彎
曲段出口傳播。
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gines，2013，30(3)：261-270．
萬方數(shù)據(jù)
1794 航空學報Jun．25 2015 V01．36 No 6
作者簡介：
邱華男，博士，副教授。主要研究方向：爆震推進應用基礎研
究，發(fā)動機燃燒與流動，非定常推進中的能量高效提取與轉化。
Tel 029—88460756
E—mail：qiuhua@nwpu．edu．cn
王瑋男，博士。主要研究方向：燃氣輪機燃燒室燃燒與流動。
E—mail；wweiyeah@163．corn
范瑋女，博士，教授，博士生導師。主要研究方向：動力裝置
中的燃燒問題，爆震燃燒，脈沖爆震發(fā)動機應用基礎研究，燃燒
理論，燃燒診斷技術。
Tel：029-88492748
E—mail：weifan419@nwpu．edu．CI'I
熊姹女，博士，講師。主要研究方向：爆震燃燒，脈沖爆震發(fā)
動機應用基礎研究，燃燒診斷技術。
E—mail：xiongcha@nwpu．edu．cn
Experimental investigation on CharaCteriStiCS of deflagration to
detonation transition in U-bend square tube
QIU Hua*，WANG Wei，F(xiàn)AN Wei，XlONG Cha
School of Power and Energy，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 7 10072，China
Abstract：For the application of the curved detonation combustor in pulse detonation engine(PDE)，in this paper we present
the results of experimental investigation on gaseous combustion wave of 02 H4／Air mixture propagation through a U—bend
square tube By changing the incident shock wave speed at the entrance of the bend section in U-bend square tube，the characteristics
of deflagration to detonation transition(DDT)in bend section have been researched based on the pressures／re-
Iocities measure and high speed photography．When the incident shock wave speed is lower than 794 m／s(43．6％Vcj)，the
detonation cannot form in the bend section；when the speed is between 870 m／s and 908 m／s(47．8％ycJ．50．0％Vcj)，the
hot spot will be formed firstly and then the detonation will form finally in the bend section：when the speed exceeds 934 m／s
(5 1．3％ycJ)，the deflagration wave will directly transit into a detonation at the entrance of bend section。
Key words：detonation；deflagration to detonation transition；U·-bend square tube；pulse detonation engine；curved detona·-
tion combustor
Received：2014·06—05；Revised：2014-08—01；Accepted：2014-09．24；Published online：2014．11．02 09：16
URL：WWW．cnki．net／kcms／deta¨／10．7527／$1000—6893．2014．0269．htmI
Foundation items：National Natural Science Foundation of China(50906072，51306154)；The Fundamental Research Funds for the Central
Universities(3102014JCY01003)
*Corresponding author．Tel．：029-88460756 E-mail：qiuhua@nwpu．edu

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