微尺度爆震燃烧研究进展

微尺度爆震燃烧(Microscale Detonation)是基于微燃烧(Microscale Combustion)和微动力机电系统(Power MEMS)提出来的新研究方向.目的是为了把爆震燃烧这一高效的燃烧方式应用于微动力领域,以解决人们对小型、高性能动力的需求.几十年来,人们虽然在爆震燃烧的研究中涉及了一些与微爆震相关的内容,但是对其机理的了解仍然十分不足.本文从微爆震基本概念出发,对其现象、成因、影响因素及需要解决的问题等方面进行综述,总结了目前国内外重要的研究成果,为今后进一步的探索提供参考.     

六毫米内径管道中的单次爆震实验研究

为研究微尺度下的爆震波传播特性,用乙烯和氧气为燃料和氧化剂,在6mm内径的管道内进行了爆震实验研究。实验表明,气体混合物在该尺度下可以产生稳定的爆震波,且爆震强度和火焰传播模式等受当量比影响较大。实验在不同当量比下得到了缓燃转爆震的距离,其中当量比1.4时距离最短,当量比大于2.2时爆震不稳定。用高速摄像机拍摄了当量比0.8,1.4和2.2下的火焰传播过程,发现了多种火焰形态并分析了形成原因;测量了三种当量比下的爆震速度和压力,发现当量比2.2时的爆震压力和速度最大,0.8时最小。实验值与C-J爆震理论值吻合较好。     

微小尺度多循环爆震实验研究

为了探索爆震燃烧应用于微型推进器的可行性,进行了微小尺度多循环爆震实验的研究。实验管道采用截面为6mm×6mm,长度为500mm的方型爆震室,氧化剂和燃料分别为40%的富氧空气和乙烯,工作频率范围为1~30Hz。实验中采用高速摄影仪拍摄反应波的传播过程,用压力传感器测量反应波的压力变化。结果表明,工作频率在1~20Hz内时可以成功实现多循环爆震,爆震波离开爆震室的速度约为2500m/s,频率越高,缓燃向爆震转变(Deflagration to Detonation Transition,简称DDT)的距离越长;工作频率为10Hz和20Hz时,同一频率下,不同爆震循环的DDT开始位置不同,并且DDT距离也存在差异;工作频率为25Hz和30Hz时,由于混合气填充量的减小,不能形成爆震。     

流体障碍物对爆震燃烧起爆性能影响的实验研究

为研究流体障碍物对于缓燃火焰向爆震波转变特性的影响,用乙烯和40%的富氧空气作为燃料和氧化剂,在6mm方形爆震管中进行了爆震燃烧实验。将带流体障碍物的爆震管与常规光滑爆震管起爆性能进行了对比,并首次提出了用热态流体障碍物加速起爆的方法。实验结果表明,在恰当的喷射孔径下,流体障碍物能够有效地加速爆震波的起始。对于6mm方形爆震管,通入1mm直径的冷态和热态流体障碍物均能够明显地加速起爆,分别使起爆距离缩短24%和15%;2mm热态流体障碍物没有明显的加速起爆作用,而2mm冷态流体障碍物甚至阻碍了火焰的传播。在相同的射流尺寸下,相比于传统的冷态流体障碍物,热态流体障碍物有更好的爆震加速起始增益效果。     

悬摆法测量微尺度光滑管内爆震冲量的实验研究

为探索微尺度爆震用于空间推进和能量利用的可行性,首次用悬摆法测量了长1m,内径4～10mm的微尺度爆震管内不同当量比下的乙烯-氧气混合物的爆震冲量和比冲,同时与Wintenberger基于直接起爆的爆震冲量计算模型进行了对比验证。结果表明,火焰由缓燃向爆震转变的距离(DDT距离)对冲量有主要的影响。DDT距离越短,冲量越大。在本实验工况下,不同管径下能产生最大冲量的当量比是1.4;如果不考虑DDT的影响,模型计算的冲量与实验值吻合较好。另一方面,冲量与管径成正比,但是管径越小,各个当量比下的冲量差距越小。