CN107024355A - 一种基于双爆轰驱动清洁气体模拟喷气发动机高温燃气的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于双爆轰驱动清洁气体模拟喷气发动机高温燃气的方法，包括分析燃料和氧化剂成分以及温度和压力、选择清洁无毒气体、确定清洁无毒气体之间的摩尔比、分成燃料和氧化剂分别预混充入高压瓶、两类气体再同时充入爆轰段、氢氧氮按照一定比例同时充入爆轰驱动段、采用点火管点火等步骤。本发明通过双爆轰方式爆轰清洁气体，产生了与真实喷气发动机燃气组分和热力状态完全一致的高温、高速气流，从而模拟总温在2800K～4000K、油汽比0.6～1.4范围内喷气发动机燃料和氧化剂燃烧的状态，进一步提高实验室全方位开展与尾喷管性能和与喷管流动有关的实验能力和水平。

Description

一种基于双爆轰驱动清洁气体模拟喷气发动机高温燃气的 方法
技术领域
本发明属于属于高温气体动力学技术领域，特别涉及一种基于双爆轰驱动清洁气体模拟喷气发动机高温燃气的方法。
背景技术
直接用喷气发动机开展尾喷管及后场流动特性试验研究是常用的手段，最大的优点是可以用1:1的模型而且反映出真实的流动状态。不过，也存在如下问题：1)有毒气体对参试人员身体健康存在很大隐患；2)由于时间较长通常需对试验设备和工件进行冷却，冷却后使得热流测量的准确性增加难度；3)不冷却的话很容易在试验中烧坏试验设备和测量仪表，从而很难保证试验的重复性；4)温度太高对热流传感器的热特性参数改变较大，影响测量的准确性；5)通常试验费用高和周期长。而用模拟高温燃气试验装置研究发动机尾喷管性能及其喷流特性，需要在尾喷管的入口产生热力学参数和组分及实验时间符合要求的高温燃气。通常可采用如下几种方案：1)空气加氢补氧燃烧方案，优点是实验时间比较长，但产生的燃气要么组分增加了大量的水蒸气(俗称污染气体)，要么温度不高或混合不均匀导致燃气品质没有达到要求；2)激波管加热空气方案可以产生很高温度的洁净空气，但实验时间极短很难再与燃料均匀混合并充分燃烧；3)电弧加热或蓄能加热方案，电弧加热器会产生氮氧化物和少量杂质；卵石床蓄能加热器启动时间长，并且会产生较多的颗粒杂质，均不能满足发动机来流条件。
爆轰驱动方案：将常温空气和燃料按照实际比例预先充分混合，然后用爆轰的方式充分燃烧产生热力学参数和组分满足要求的实验燃气。为了产生高温燃气流，美国康奈尔航空实验室提出利用的激波风洞产生高温燃气流。该方法的原理出自于1965年Coates等人[1]提出的爆轰并辅以氢气驱动的高焓激波风洞的思想，采用可燃混合气作为实验气体，高压氦气作为驱动气体。由于实验气体会发生爆轰现象，爆轰波后Taylor波会导致气流状态非常不均匀，难以利用。若消除Taylor波，就需要氦气的压力极高，因此这种方法只适用于气流总压较低的状态，但压力较低时，氦气驱动很难直接起始爆轰。此外氦气声速较低，难以在高温状态下缝合运行，因此该试验方法的应用受到很大限制，自从上世纪60年代提出以后，连同爆轰驱动激波风洞的实验方法后续再未见相关报道。上世纪80年代末和2000年代初，俞鸿儒分别提出了反向爆轰驱动增设卸爆段[2-3]和前向爆轰辅以双爆轰驱动激波风洞[4]的思想，才使爆轰驱动的高焓激波风洞在国际上重新得到广泛重视。基于双爆轰驱动的理念，2007年开始中科院力学所由提出并发展了双爆轰和单爆轰产生高温燃气的方法[5]，该方法已得到原理性验证。
发明内容
本发明的目的是：提供一种基于双爆轰驱动清洁气体模拟喷气发动机高温燃气的方法，解决当前直接用喷气发动机开展尾喷管及后场流动特性试验存在的有毒气体影响身体健康、试验设备和工件冷却后使得热流测量准确度不高、费用高、周期长等问题，实现使用清洁气体模拟总温在2800K～4000K范围内喷气发动机燃料和氧化剂燃烧的状态。
本发明的方案是：一种基于双爆轰驱动清洁气体模拟喷气发动机高温燃气的方法，包括下列步骤：
A.根据被模拟喷气发动机燃料和氧化剂的分子式，得到被模拟喷气发动机燃料和氧化剂分别含有的原子成分；
B.选择含有被模拟喷气发动机燃料和氧化剂所含有原子组分的多种清洁无毒气体；
C.根据质量守恒定律和能量方程f(a,b,c,d,燃气总温T,总压P,双爆轰方式)＝ΔHf(其中a,b,c,d分别是不同气体的摩尔比)，选择多种清洁无毒气体的具体类型及相互间的摩尔比；由被模拟喷气发动机燃烧产物的温度和压力，确定充入爆轰装置爆轰段中的初始压力；
D.将多种清洁无毒气体种类分成燃料和氧化剂两类，并分别在两个高压瓶内进行预混，每一类气体中的每一种气体根据摩尔比等于分压比的原理，在常温条件下单独依次混到相应类型高压瓶中，燃料类和氧化类气体不能相互掺混；
E.将爆轰装置分成四段，一段是卸爆段，长度为2～4米；一段是爆轰驱动段，长度为10～17米；一段是爆轰段，长度7～13米；还有一段是喷管和真空腔，长度8～10米；卸爆段与爆轰驱动段之间、爆轰驱动段与爆轰段之间、以及爆轰段与喷管入口之间分别用膜片隔开并用法兰将膜片紧固；膜片紧固后，将卸爆段、爆轰驱动段、爆轰段和喷管出口的真空腔抽成真空，之后关闭抽气阀门，只打开测量爆轰段和爆轰驱动段充气压力的压力变送器阀门；
F.根据被模拟喷气发动机燃料和氧化剂的量，将已分别预混好的燃料和氧化剂气体同时充入爆轰段中，充入之前需要进行氧化剂和燃料充气流量的标定；以便两类气体按照预定的比例在爆轰段内再次均匀混合，充气压力为C中确定的初始压力；
G.将多种清洁无毒气体按照一定的比例并通过流量标定后，按照预定的充气比例和充气压力，同时充入已经抽真空的爆轰驱动段内；
H.爆轰段和爆轰驱动段的气体充气完成后关闭所有充气阀门和测量管内充气压力的压力变送器阀门；点火前开启测量动态压力的高速数据采集系统；试验时在爆轰驱动段内靠近爆轰段处采用点火管点火，点火瞬间完成；总的试验时间不超过100毫秒；
I.主爆轰段管壁安装有压力传感器，试验过程中用高速数采系统测量爆轰段内压力分布，从而计算爆轰波波速，并进一步计算出爆轰段内高温燃气的总温和总压。
更进一步地，所述步骤D中，每一种气体都是根据摩尔比等于分压比的原则独立充气，充到预先设定的分压值后，再充入第二种气体，依次充完所有气体，并保持一定的时间以便充分混合均匀。
更进一步地，所述步骤F中，在常温条件下通过流量标定后充入爆轰段的氧化剂和燃料气体。
更进一步地，所述步骤G中，在常温条件下按照一定的比例通过流量标定后，同时充入爆轰驱动段的多种清洁无毒气体为氢气、氧气和氮气。
更进一步地，所述步骤G中，在常温条件下按照一定的比例通过流量标定后，同时充入爆轰驱动段的多种清洁无毒气体为乙炔、氧气和氮气。
更进一步地，所述步骤G中，充气比例和充气压力预定原则包括：使得爆轰驱动段产生的爆轰燃气驱动爆轰段的混合气体产生的主爆轰后面不能跟随膨胀波，主爆轰在喷管喉道入口反射激波与两段中爆轰气体分界面相交时不反射任何波，以便使爆轰段的主爆轰产生的高温燃气压力平稳，无任何非定常波系的干扰。
更进一步地，所述步骤I中，在爆轰段内使用压阻式压力传感器测量燃气压力，使用压电式压力传感器测量爆轰波波速。
本发明依据质量守恒定律和能量方程f(a,b,c,d,燃气总温T,总压P,双爆轰方式)＝ΔHf(其中a,b,c,d分别是不同气体的摩尔比)，在现有爆轰驱动技术的基础上，选择的多种清洁无毒气体，并进行混合，然后通过双爆轰方式进行爆轰，产生与真实发动机燃气组分和热力状态完全一致的高温、高速气流，从而模拟总温在2800K～4000K范围内喷气发动机燃料和氧化剂燃烧后的高温状态，进一步提高实验室全方位开展与尾喷管性能和与喷管流动有关的实验能力和水平。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为本发明双爆轰驱动原理示意图；
图3为本发明实施例1中乙烯与空气实验状态调试结果(To＝3300K,Po＝12.5bar,油气比Φ＝1)。
具体实施方式
实施例1：参见图2和图3，一种基于双爆轰驱动清洁气体模拟喷气发动机高温燃气的方法，包括下列步骤：
A.根据被模拟喷气发动机燃料和氧化剂的分子式，得到被模拟喷气发动机燃料和氧化剂分别含有的原子成分；
B.选择含有被模拟喷气发动机燃料和氧化剂所含有原子组分的多种清洁无毒气体；
C.根据质量守恒定律和能量方程f(a,b,c,d,燃气总温T,总压P,双爆轰方式)＝ΔHf(其中a,b,c,d分别是不同气体的摩尔比)，选择多种清洁无毒气体的具体类型及相互间的摩尔比；由被模拟喷气发动机燃烧产物的温度和压力，确定充入爆轰装置爆轰段中的初始压力；
D.将多种清洁无毒气体种类分成燃料和氧化剂两类，并分别在两个高压瓶内进行预混，每一类气体中的每一种气体根据摩尔比等于分压比的原理，在常温条件下单独依次混到相应类型高压瓶中，燃料类和氧化类气体不能相互掺混；每一种气体都是根据摩尔比等于分压比的原则独立充气，充到预先设定的分压值后，再充入第二种气体，依次充完所有气体，并保持一定的时间以便充分混合均匀；
E.将爆轰装置分成四段，一段是卸爆段，长度为2～4米；一段是爆轰驱动段，长度为10～17米；一段是爆轰段，长度7～13米；还有一段是喷管和真空腔，长度8～10米；卸爆段与爆轰驱动段之间、爆轰驱动段与爆轰段之间、以及爆轰段与喷管入口之间分别用膜片隔开并用法兰将膜片紧固；膜片紧固后，将卸爆段、爆轰驱动段、爆轰段和喷管出口的真空腔抽成真空，之后关闭抽气阀门，只打开测量爆轰段和爆轰驱动段充气压力的压力变送器阀门；
F.根据被模拟喷气发动机燃料和氧化剂的量，常温下将已分别预混好的燃料和氧化剂气体同时充入爆轰段中，充入之前需要进行氧化剂和燃料充气流量的标定；以便两类气体按照预定的比例在爆轰段内再次均匀混合，充气压力为C中确定的初始压力；
G.将多种清洁无毒气体按照一定的比例并通过流量标定后，按照预定的充气比例和充气压力，同时充入已经抽真空的爆轰驱动段内；充气比例和充气压力预定原则包括：使得爆轰驱动段产生的爆轰燃气驱动爆轰段的混合气体产生的主爆轰后面不能跟随膨胀波，主爆轰在喷管喉道入口反射激波与两段中爆轰气体分界面相交时不反射任何波，以便使爆轰段的主爆轰产生的高温燃气压力平稳，无任何非定常波系的干扰；
H.爆轰段和爆轰驱动段的气体充气完成后关闭所有充气阀门和测量管内充气压力的压力变送器阀门；点火前开启测量动态压力的高速数据采集系统；试验时在爆轰驱动段内靠近爆轰段处采用点火管点火，点火瞬间完成；总的试验时间不超过100毫秒；
I.主爆轰段管壁安装有压力传感器，试验过程中用高速数采系统测量爆轰段内压力分布，从而计算爆轰波波速，并进一步计算出爆轰段内高温燃气的总温和总压；在爆轰段内使用压阻式压力传感器测量燃气压力，使用压电式压力传感器测量爆轰波波速。
实施例2：参见图2和图3，在实施例1的基础上，所述步骤G中，在常温条件下按照一定的比例通过流量标定后，同时充入爆轰驱动段的多种清洁无毒气体为氢气、氧气和氮气。
实施例3：参见图2和图3，在实施例1的基础上，所述步骤G中，在常温条件下按照一定的比例通过流量标定后，同时充入爆轰驱动段的多种清洁无毒气体为乙炔、氧气和氮气。
实施例4：参见图2和图3，在实施例1的基础上，使用JF-14高温燃气激波风洞，采用氢气与空气作为清洁气体，被模拟燃气组分为乙烯和空气，油气比值为0.6～1.4。

Claims (7)

1.一种基于双爆轰驱动清洁气体模拟喷气发动机高温燃气的方法，其特征在于，包括下列步骤：
A.根据被模拟喷气发动机燃料和氧化剂的分子式，得到被模拟喷气发动机燃料和氧化剂分别含有的原子成分；
B.选择含有被模拟喷气发动机燃料和氧化剂所含有原子组分的多种清洁无毒气体；
C.根据质量守恒定律和能量方程f(a,b,c,d,燃气总温T,总压P,双爆轰方式)＝ΔHf(其中a,b,c,d分别是不同气体的摩尔比)，选择多种清洁无毒气体的具体类型及相互间的摩尔比；由被模拟喷气发动机燃烧产物的温度和压力，确定充入爆轰装置爆轰段中的初始压力；
D.将多种清洁无毒气体种类分成燃料和氧化剂两类，并分别在两个高压瓶内进行预混，每一类气体中的每一种气体根据摩尔比等于分压比的原理，在常温条件下单独依次混到相应类型高压瓶中，燃料类和氧化类气体不能相互掺混；
E.将爆轰装置分成四段，一段是卸爆段，长度为2～4米；一段是爆轰驱动段，长度为10～17米；一段是爆轰段，长度7～13米；还有一段是喷管和真空腔，长度8～10米；卸爆段与爆轰驱动段之间、爆轰驱动段与爆轰段之间、以及爆轰段与喷管入口之间分别用膜片隔开并用法兰将膜片紧固；膜片紧固后，将卸爆段、爆轰驱动段、爆轰段和喷管出口的真空腔抽成真空，之后关闭抽气阀门，只打开测量爆轰段和爆轰驱动段充气压力的压力变送器阀门；
F.根据被模拟喷气发动机燃料和氧化剂的量，将已分别预混好的燃料和氧化剂气体同时充入爆轰段中，充入之前需要进行氧化剂和燃料充气流量的标定；以便两类气体按照预定的比例在爆轰段内再次均匀混合，充气压力为C中确定的初始压力；
G.将多种清洁无毒气体按照一定的比例并通过流量标定后，按照预定的充气比例和充气压力，同时充入已经抽真空的爆轰驱动段内；
H.爆轰段和爆轰驱动段的气体充气完成后关闭所有充气阀门和测量管内充气压力的压力变送器阀门；点火前开启测量动态压力的高速数据采集系统；试验时在爆轰驱动段内靠近爆轰段处采用点火管点火，点火瞬间完成；总的试验时间不超过100毫秒；
I.主爆轰段管壁安装有压力传感器，试验过程中用高速数采系统测量爆轰段内压力分布，从而计算爆轰波波速，并进一步计算出爆轰段内高温燃气的总温和总压。
2.如权利要求1所述的一种基于双爆轰驱动清洁气体模拟喷气发动机高温燃气的方法，其特征在于，所述步骤D中，每一种气体都是根据摩尔比等于分压比的原则独立充气，充到预先设定的分压值后，再充入第二种气体，依次充完所有气体，并保持一定的时间以便充分混合均匀。
3.如权利要求1所述的一种基于双爆轰驱动清洁气体模拟喷气发动机高温燃气的方法，其特征在于，所述步骤F中，在常温条件下通过流量标定后充入爆轰段的氧化剂和燃料气体。
4.如权利要求1所述的一种基于双爆轰驱动清洁气体模拟喷气发动机高温燃气的方法，其特征在于，所述步骤G中，在常温条件下按照一定的比例通过流量标定后，同时充入爆轰驱动段的多种清洁无毒气体为氢气、氧气和氮气。
5.如权利要求1所述的一种基于双爆轰驱动清洁气体模拟喷气发动机高温燃气的方法，其特征在于，所述步骤G中，在常温条件下按照一定的比例通过流量标定后，同时充入爆轰驱动段的多种清洁无毒气体为乙炔、氧气和氮气。
6.如权利要求1所述的一种基于双爆轰驱动清洁气体模拟喷气发动机高温燃气的方法，其特征在于，所述步骤G中，充气比例和充气压力预定原则包括：使得爆轰驱动段产生的爆轰燃气驱动爆轰段的混合气体产生的主爆轰后面不能跟随膨胀波，主爆轰在喷管喉道入口反射激波与两段中爆轰气体分界面相交时不反射任何波，以便使爆轰段的主爆轰产生的高温燃气压力平稳，无任何非定常波系的干扰。
7.如权利要求1所述的一种基于双爆轰驱动清洁气体模拟喷气发动机高温燃气的方法，其特征在于，所述步骤I中，在爆轰段内使用压阻式压力传感器测量燃气压力，使用压电式压力传感器测量爆轰波波速。
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