激波管煤油燃料点火特性研究进展

为了研究煤油的点火特性,国内外采用激波管实验方法,探究了不同因素对煤油的点火延迟时间的影响。本文综述了激波管煤油燃料点火特性研究进展,介绍了激波管的设计与实验要点以及液、气相煤油在激波管中点火特性的研究。结果表明,温度、压力、当量比等因素对煤油的点火特性有着复杂的影响,对目前研究中存在的问题与不足进行了归纳总结,对未来研究的重点进行展望。     

煤油及其替代燃料点火延迟特性实验研究

为研究煤油的点火特性,在反射型激波管中测量了煤油及替代燃料的点火延迟时间。通过测量激波压力信号和OH自由基光强信号,分析了点火温度、当量比对煤油点火延迟时间的影响。实验温度范围为1100~1800K,压力为0.1MPa,反应当量比为0.5,1.0,1.5。选用正癸烷(80%)和三甲基苯(20%)组成的替代燃料,在相同实验条件下比较了替代燃料对煤油点火模拟的准确性。结果表明随着点火温度升高和当量比的降低,煤油及其替代燃料的点火延迟时间缩短,点火延迟时间的对数与温度倒数成正比。选定的替代燃料可以较好地模拟实际煤油的点火延迟过程。     

基于成像的RP-3煤油在激波管内自点火过程研究

为深入直观了解RP-3煤油在激波管内的自点火及燃烧过程,利用高分辨率纹影系统和高速摄像机对反射激波后点火燃烧过程进行拍摄,获取了丰富的光学图像。纹影图像显示得益于低压段内高比例氩气作为稀释气体,入射及反射激波均无分叉,为正激波结构,点火燃烧后对密度造成较大影响,流场中出现明显褶皱。针对燃烧过程的高速摄影图像显示激波后燃烧区域基本分为两部分,反射激波后小粒径雾化煤油完全燃烧呈现明亮的蓝色火焰,由于氧气的大量消耗随后将造成煤油液滴间的燃烧出现竞争关系,无法充分燃烧,出现分散的黄色火焰区,后期部分液滴由于贫氧及温度下降造成燃烧不充分而析出碳粒。     

基于激波管的等离子体辅助甲烷点火

在激波管实验系统的基础上,设计了等离子体放电单元,开展了等离子体对甲烷点火延迟时间影响的研究。测量了等离子体放电时的伏安特性曲线。测量了甲烷自点火延迟时间、持续放电条件下的点火延迟时间以及放电后断电下的点火延迟时间。对甲烷点火过程中的化学反应路径进行了分析。结果表明:等离子体放电电压与电流并不呈现相同的变化趋势,放电过程中气体电阻不断发生变化。很少的放电能量(小于4J)即可有效减少甲烷的点火延迟时间,在关闭电源后,放电产生的粒子依然可以在一定程度降低甲烷点火延迟时间。在低温或高温点火条件下等离子体对甲烷点火延迟时间的影响机理基本相同。点火温度较低(小于1000K),或者较高(大于1600K)时,持续放电对甲烷点火延迟的缩短效果更加明显,可以将甲烷的点火延迟时间缩短1个数量级或1个数量级以上。等离子体对甲烷点火延迟的作用效果是点火温度与等离子体质量摩尔浓度耦合影响的结果。      

空气污染组分H_2O和CO_2对乙烯点火特性的影响

超燃研究地面实验中通过燃烧加热方式获得的高焓气体中通常含有H2O和CO2等污染组分,污染组分可能造成地面实验与天空飞行中燃料的点火特性出现差异。为了正确评估这两种污染组分对碳氢燃料点火特性的影响,在预加热激波管上研究了H2O和CO2对乙烯点火特性的影响效应。以压力0.2MPa,化学当量比1和0.5乙烯在纯净气体中点火特性为基础,分别进行了单独加入7.5%,15%和25%的H2O,单独加入10%的CO2,以及同时加入25%H2O+10%CO2条件下,污染组分对乙烯点火特性影响的对比实验研究。结果表明:在贫油条件下(Φ=0.5),单独污染组分H2O和CO2对乙烯的点火基本没有影响;在化学当量比条件下(Φ=1)时,H2O和CO2分别对乙烯的点火具有一定的阻滞作用;当H2O和CO2同时存在时,污染组分在较大温度范围内表现出对乙烯点火的阻滞作用。从燃烧反应机理和热物理性质的角度对实验结果进行了初步分析。     

二甲苯点火延迟时间和燃烧发射光谱测量

为了研究二甲苯三种同分异构体的点火特性,获得该燃料燃烧反应重要自由基OH,CH和C2的变化信息,在化学激波管中利用反射激波点火,点火温度1224~1478K,点火压力0.18~0.21MPa,燃料当量比1.0,由单色仪光谱系统测得了二甲苯/空气的点火延迟时间,并用ICCD瞬态光谱探测系统测得了点火温度1440K时对二甲苯/空气燃烧的时间分辨瞬态发射光谱。实验结果表明:对二甲苯点火延时对温度的敏感程度最高,邻二甲苯和间二甲苯的点火延时对温度的敏感程度相近;在相同实验条件下,间二甲苯和对二甲苯的点火延迟时间比较接近,邻二甲苯的点火延迟时间最短。在对二甲苯燃烧反应中,OH,CH和C2自由基一旦出现很快达到其浓度峰值,但各个自由基的消失过程各不相同,CH和C2自由基存在的时间很短,且相对浓度变化趋势几乎完全一致,而OH自由基持续时间最长。     

基于PLIF/Mie图像测量煤油超雾化场数值特性

为获得航空煤油在超声速气流中喷射雾化后粒径二维分布信息,设计了基于PLIF/Mie双光谱成像法的测量系统。在PLIF/Mie煤油超雾化粒径测量方法基础上,实现了SMD计算公式系数的标定和煤油超声速射流破碎和雾化的SMD二维在线测量,取得射流雾化场SMD径向分布、穿透深度、展向输运宽度等关键参数。结果表明:射流分两个阶段,前期突变阶段和稳定阶段,在初始射流压强为1.0MPa,来流初始压强为0.5MPa,喷孔直径1mm,喷射角度为90°的工况下,稳定阶段煤油喷雾SMD稳定在10μm左右,射流径向SMD由内向外由小变大,整体展向宽度范围比穿透深度稍大,在各截面位置变化趋势一致。     

激波管高温空气绝对辐射功率实验测量

利用激波管加热技术,得到1000K～3000K温度范围内的高温空气,利用宽波段能量计、光电探测器以及滤波片等设备,测量出高温空气在0.3μm～9μm宽波段范围内绝对辐射功率,以及中心波长在4.26μm、5.23μm、8.32μm处、单位波长的绝对辐射功率;实验结果表明,在1000K～2000K温度范围内,高温空气宽波段的辐射功率约为60 W/cm~3·MP,且辐射主要集中在21μm～8μm波段范围内;当温度高于2000K以上,辐射功率随着温度的升高增大较快,且辐射向紫外、可见方向移动;在3000K时,高温空气在0.3μm～9μm宽波段范围内的辐射功率约为150W/(cm~3·MP).     

有/无凹槽通道内煤油超燃雾化的测量研究

为研究超燃流场中雾化煤油液滴直径分布,针对有/无凹槽(L/D=3)直通道,对煤油在超声速气流中的雾化过程进行了测量。利用纹影法得到雾化流场波系结构,利用平面激光诱导荧光(PLIF)得到煤油扩散范围,基于激光前向散射原理的激光粒度仪,得到液滴直径分布。结果表明,当来流和喷射条件相同,平板通道内的煤油射流穿透深度略大于凹槽通道。液滴直径呈在截面中心小、外侧大趋势,沿外侧的液滴直径波动较中心区大。煤油距喷口30 mm处已完成雾化,雾化区的液滴Sauter直径为4~8μm,凹槽对煤油穿透深度和雾化尺寸无明显贡献。     

电热破膜激波管及其PLIF测量系统的研制

探讨了用Nd：YAG脉冲激光器作为泵浦光源对激波管内瞬态非定常流场进行平面激光诱导荧光（Planar laser induced fluorescence,PLIF）测量的时序同步问题。由于该激光器需要预热以获得稳定的倍频输出,作者研制了低压大电流的电热破膜装置,实现对激波产生时机的控制。在大尺寸矩形截面的激波管上搭建了PLIF测量平台,并在此平台上进行了丙酮示踪流场显示和氢氧基分布测量。     

RP-3航空煤油着火特性的实验

在化学激波管中利用反射激波着火,采用壁面压力与OH自发光作为着火指示信号,测量了着火温度范围为1100~1600K,压力为0.1,0.2,0.3MPa,当量比为0.5,1.0,1.5时RP-3航空煤油/氧气/氩气混合气的着火延迟时间,分析了着火温度、压力以及当量比对混合气着火延迟时间的影响,并拟合得到了不同压力与当量比下混合气着火延迟时间的Arrhenius关系式.结果表明:在不同压力与当量比下,混合气的着火延迟时间的对数与着火温度的倒数呈线性关系,同时,随着着火温度与压力的升高以及混合气当量比的降低,着火延迟时间逐渐缩短.      

凹腔底壁喷注煤油燃料的超燃点火试验

在来流总温为1486K、总压为1.6MPa、马赫数为2.52的条件下,采用两级串联凹腔构型燃烧室,开展了凹腔底壁喷注煤油燃料的超燃点火试验,研究了喷嘴孔径、喷注位置对点火性能的影响.结果表明:上游凹腔底壁大孔径喷嘴喷注燃料,下游凹腔点火的方案点火性能高,在煤油总体当量比为0.102~0.206范围内均可实现成功点火与稳定燃烧;燃烧反压向上游的传播过程具有明显的滞后性且与分离区的形成过程紧密耦合;燃料喷注方案决定了煤油雾化燃料场的分布,燃料的分布特征又决定了点火特征.      

超声速气流中煤油喷雾的热射流强迫点火

在来流马赫数为2、总温为840K的双模态超燃冲压发动机扩张型燃烧室的冷起动工况条件下,对凹腔上游的煤油横向射流喷雾的热射流强迫点火过程进行了试验研究.采用高速相机拍摄了点火过程中的煤油喷雾阴影和自发光火焰的动态发展图像,对比分析了热射流喷射位置和喷射方向对点火试验结果及其凹腔驻留火焰形成的影响.试验结果表明:热射流点火主要以凹腔下游热射流与煤油喷雾的掺混燃烧为主要特征;远场的火焰逆流传播形成凹腔驻留火焰是热射流实现成功点火的主要机制.      

RP-3航空煤油模拟替代燃料的着火延迟特性

为了获得一种新的国产RP-3航空煤油模拟替代燃料的着火延迟特性,在化学激波管中完成了初始压力分别为0.1MPa与0.3MPa,当量比分别为0.5,1.0与1.5,着火温度为1000～1700K条件下该模拟替代燃料着火延迟时间的试验测试,分析了初始压力与当量比对该模拟替代燃料着火延迟时间的影响规律,并与相应工况条件下RP...     

螺旋管内超临界航空煤油流动阻力特性

研究了系统压力、质量流速及螺旋管结构形式对超临界压力下航空煤油RP-3在螺旋管内的流动阻力特性.实验结果表明:螺旋管局部阻力系数变化曲线由螺旋管内流体临界雷诺数、拟临界温度分为明显的3个部分:工质温度低于拟临界温度且管内雷诺数小于螺旋管临界雷诺数时,局部损失系 数与雷诺数和螺旋直径与管径比D/d_in相关;流体温度低于拟临界温度且雷诺数大于临界雷诺数时,局部阻力系数只与D/d_in相关; 流体温度大于拟临界温度时,局部阻力系数除与雷诺数和D/d_in相关外,同时还与密度、黏性的大幅变化相关.另外,基于实验结果,提出了一种用压力、温度和螺旋直径与管径比进行修正的局部阻力系数关联式,拟合结果与实验结果相比,具有较好的一致性.      

U型管内超临界压力航空煤油压降特性

研究了超临界状态下航空煤油RP-3在U型管内的压降特性,分析了温度和压力对于流动压降的影响规律.实验结果表明:当煤油的出口温度低于临界温度时,压降随压力的增大而增大,随温度的升高变化很小;当煤油的出口温度大于临界温度时,压降随压力的升高而减小,随温度的升高而增大.在拟临界点附近,压降随温度的变化斜率突然增大.另外,基于...     

微小圆管内煤油流动研究

通过实验研究了RP-3航空煤油在微小圆管内的流动情况.分别研究了内径为1.0,0.8 mm和0.5 mm的微小圆管中的流动压降和摩擦阻力系数.实验结果表明:摩擦阻力系数(层流损失系数)随雷诺数的增加而减小,而且微小圆管内的摩擦阻力系数比常规尺寸圆管中摩擦阻力系数小;微小圆管中从层流转变成湍流的临界雷诺数也远小于常规尺寸圆管中的临界雷诺数2 300.此外,进、出口压差随雷诺数的增大而增大;相同雷诺数、相同管长的情况下,管内径越大,进、出口压差越小;管内径越小,进、出口压差越大.      

用热流探针测量激波速度

激波速度测量是激波管和激波风洞运行状态的一个重要参数,压电传感器或光学方法测速系统成本高,而传统电离探针在激波马赫数较低、波后温度达不到空气电离程度的情况下无法满足实验要求。提出了一种使用同轴热电偶作为测速探针来测激波速度的方法,弥补了电离探针在激波马赫数较低时的不足。介绍了同轴热电偶探针测速原理,并设计了测量激波速度的系统电路。通过信号放大电路锁定激波冲激信号,触发脉冲信号发生电路,实现了一种单通道、多测点的激波风洞测速系统。分别开展以温度与热流为触发信号的风洞实验,结果表明只有使用热流信号才能满足激波测速的时间要求。