CN110220942B - 一种基于高速射流的爆轰激励系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于高速射流的爆轰激励系统，包括激波管，该激波管上设有多个开孔，并通过这些开孔沿激波管的长度方向依次与试验混合气体系统、数据采集系统和射流控制系统配合安装，且该激波管的末端设有所述点火系统；所述数据采集系统包括等间隔地插设于激波管的所述开孔的多个光纤传感器和多个冲击波探针，射流控制系统和点火系统均与一控制面板相连。本发明还提供一种爆轰激励方法。本发明的基于高速射流的爆轰激励系统通过高速射流与火焰相互作用，通过高速射流对爆轰产生激励，因此，能够达到较小的阻塞比，有效地缩短燃烧转爆轰距离，并减小整个爆轰过程的总压损失。

Description

一种基于高速射流的爆轰激励系统及方法

技术领域

本发明涉及发动机系统，具体涉及一种爆轰激励系统及方法。

背景技术

气相爆轰物理的研究具有重要的学术意义和应用价值：近几十年来超高速爆轰发动机的设计需求极大地推动了气相爆轰研究的发展，通过对气相爆轰特征和规律的分析可以为进一步研究气相爆轰提供依据，从而对现有的相关理论表述和机理分析进行补充和完善，促进爆轰发动机的发展。

超高速爆轰发动机由于其热循环效率高、工作范围宽广、结构简单等优点具有广泛的应用前景。在超高速爆轰发动机的研究过程中，关键的一个问题是要在爆轰管(即激波管)内快速形成稳定传播的爆轰波。在超高速爆轰发动机的循环过程中，由于燃料填充以及燃烧产物排放时间较长(通常会达到几十毫秒)，为提高发动机的性能，必须尽可能地缩短燃烧及爆轰的时间，燃烧转爆轰过程时间和距离过长，将会导致高速爆轰发动机长度增加，从而增大发动机的重量。

目前爆轰激励系统主要是通过安装物理孔板和Shchelkin弹簧来作为爆燃转爆轰的激励装置。但物理孔板爆燃转爆轰装置的阻塞比较高，管内的总压损失较大；若采用较短的弹簧以实现较短的爆轰距离，则只有在弹簧具有最高阻塞比时才能形成稳定持续的爆轰波，而若采用较小阻塞比的弹簧，则只有在其长度增加时，才能实现燃烧转爆轰过程。因此，现有的爆轰装置无法同时满足弹簧阻塞比较小和爆轰距离较短。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于高速射流的爆轰激励系统及方法，以达到较小的阻塞比，有效地缩短燃烧转爆轰距离，并减小整个过程的总压损失。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于高速射流的爆轰激励系统，包括激波管，该激波管上设有多个开孔，并通过这些开孔沿激波管的长度方向依次与试验混合气体系统、数据采集系统和射流控制系统配合安装，且该激波管的末端设有所述点火系统；所述数据采集系统包括等间隔地插设于激波管的所述开孔的多个光纤传感器和多个冲击波探针，射流控制系统和点火系统均与一控制面板相连。

所述光纤传感器的数量多于冲击波探针的数量，每个冲击波探针均与其中一个光纤传感器在沿激波管的长度方向上彼此对应。

所述光纤传感器与一光电转化装置相连，所述冲击波探针与一压电信号转化装置相连，且该光电转化装置和压电信号转化装置均与一示波器相连。

所述数据采集系统还包括一压力传感器(26)。

所述射流控制系统包括插设于激波管的所述开孔的单向阀、与单向阀相连通的电磁阀以及与电磁阀连通的储气罐。

所述试验混合气体系统包括两个分别插设于激波管的所述开孔的进出气口、一真空泵、多个气瓶以及与进出气口、真空泵和气瓶均相连的气体混合控制器，气体混合控制器包括分别与进出气口、真空泵和气瓶相连的多个阀门和管路。

所述气瓶的数量为4个，所述的4个气瓶分别装有燃料、氧气、可燃气体和高压惰性气体。

装有惰性气体的气瓶通过所述气体混合控制器与所述射流控制系统相连。

所述激波管由4个试验段组成，且相邻两个试验段之间都通过一法兰盘相连，且该法兰盘的中间装设有隔膜。

另一方面，本发明提供一种基于高速射流的爆轰激励方法，包括：

步骤S1：提供一基于高速射流的爆轰激励系统，其包括激波管，该激波管上设有多个开孔，并通过这些开孔沿激波管的长度方向依次与试验混合气体系统、数据采集系统和射流控制系统配合安装，且该激波管的末端设有所述点火系统；所述数据采集系统包括等间隔地插设于激波管的所述开孔的多个光纤传感器和多个冲击波探针，射流控制系统和点火系统均与一控制面板相连；

步骤S2：采用试验混合气体系统向所述激波管内注入可燃气体；

步骤S3：触发射流控制系统，以形成高速射流；再间隔一段时间，触发点火系统，以在所述驱动管体内形成爆轰波；同时，采用数据采集系统采集和储存数据；

所述试验混合气体系统包括两个分别插设于激波管的所述开孔的进出气口、一真空泵、多个气瓶以及与进出气口、真空泵和气瓶均相连的气体混合控制器，气体混合控制器包括分别与进出气口、真空泵和气瓶相连的多个阀门和管路；在所述步骤S2中，所述可燃气体为混合的燃料和氧气，该可燃气体通过打开气体混合控制器的与气瓶的相连的阀门且通过所述进出气口而被注入激波管内。

所述数据采集系统还包括一压力传感器；所述步骤S1还包括：首先，通过打开气体混合控制器的与真空泵相连的阀门，直到将激波管抽至真空状态，随后，通过关闭气体混合控制器的所有阀门，并通过观察压力传感器的示数是否有变化来检测气密性。

在所述步骤S3中，所述射流控制系统和点火系统均采用所述控制面板触发。

触发射流控制系统的时间约为30-100s，间隔时间为20s，触发点火系统的点火时间为50-100s。

采用数据采集系统采集和储存数据包括：

步骤S31：通过数据采集系统的多个光纤传感器和冲击波探针采集所述爆轰波的信号；

步骤S32：采用一示波器输出与光纤传感器和冲击波探针采集的信号对应的波形图；

步骤S33，通过所述波形图获取所述爆轰波在每两个相邻光纤传感器之间的平均速度与每两个相邻冲击波探针之间的平均速度，并存储。

步骤S32还包括：通过后处理方法将光纤传感器和冲击波探针采集的信号的波形图处理至同一时间轴上，并根据信号的先后顺序来判断采集的是爆燃波还是爆轰波的信号。

本发明的基于高速射流的爆轰激励系统采用射流控制系统和点火系统相互配合，通过电磁阀让气体以高速射流的形式进入激波管，通过高速射流与火焰相互作用，增加了爆轰管内混合物的湍流度，加速了燃烧向爆轰转变的过程，并缩短了燃烧转爆轰的距离，即通过高速射流对爆轰产生激励，因此，能够达到较小的阻塞比，有效地缩短燃烧转爆轰距离，并减小整个爆轰过程的总压损失。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的基于高速射流的爆轰激励系统的结构示意图。

图2是如图1所示的基于高速射流的爆轰激励系统的射流控制系统的射流方向的示意图。

图3是根据本发明的一个实施例的基于高速射流的爆轰激励方法的电磁阀和点火装置的触发时序图。

图4是本发明的基于高速射流的爆轰激励方法所得到的冲击波探针的信号电压值随时间变化图像。

图5是本发明的基于高速射流的爆轰激励方法所得到的激波速度随到点火器距离变化的图像。

具体实施方式

如图1所示为根据本发明的一个实施例的基于高速射流的爆轰激励系统，其包括激波管1，该激波管1上设有多个开孔，并通过这些开孔沿激波管1的长度方向依次与试验混合气体系统5、数据采集系统2和射流控制系统3配合安装，且该激波管1的末端设有所述点火系统。

其中，激波管1设计为由4个试验段组成，每一个试验段分别为厚度为10mm、内径为100mm的正方形长直钢管，且相邻两个试验段之间都通过一法兰盘101相连，以方便加工和组装。该法兰盘的中间可以根据实验需求加装隔膜1011，以阻断各实验段之间的气体流动。

在本实施例中，第一试验段11长约400mm，其上下两面各有4个圆形开孔，圆形开孔的直径约为15mm，且此处的相邻两个圆形开孔的间隔约为100mm。第二试验段12长约80mm，其上下两面各设有1个圆形开孔。第三试验段13长约1400mm，其顶面和其中一个侧面各有4个圆形开孔，此处的相邻两个圆形开孔的间隔约为400mm，另一个侧面上在激波管1的长度方向上对应于最后一个圆形开孔的位置设有1个开孔。第四试验段14长约800mm，其左右两个侧面设有两块彼此相对的玻璃15以用于观察，且第四试验段14的顶面与一个侧面在玻璃15上游处各设有一个圆形开孔，且在玻璃下游处各设有3个圆形开孔，且此处的相邻两个圆形开孔的间隔约为100mm；第四试验段14的上下两面在玻璃15处各有3个圆形开孔，且此处的相邻两个圆形开孔的间隔约为100mm；且第四试验段14的底面在玻璃下游处在激波管1的长度方向上对应于最后一个圆形开孔的位置设有一个圆形开孔。未安装装置的圆形开孔需要安装堵头使激波管1保持密封。如果需要提高精度可以在这些圆形开孔处安装传感器。此外，还可以根据实验需求改装孔的位置和数量。

所述数据采集系统2包括等间隔地插设于激波管1的所述开孔的多个光纤传感器21和多个冲击波探针22，光纤传感器21与一光电转化装置23相连，该光电转化装置23将光导纤维元件检测到的光信号转化为相应的电信号；冲击波探针22与一压电信号转化装置24相连，该压电信号转化装置24将压力传感器元件检测到的压力信号转化为相应的电信号；且光电转化装置23和压电信号转化装置24均与一示波器25相连，该示波器25接收光电转化装置23和压电信号转化装置24的电信号，并根据该电信号获取对应的波形图和所述爆轰波在每两个相邻光纤传感器21或相邻冲击波探针22之间的平均速度。其中，光纤传感器21和冲击波探针22主要用来记录燃烧波的到达时间(TOA)。光纤传感器21的数量多于冲击波探针22的数量，在本实施例中，冲击波探针22的数量为7个，光纤传感器21的数量为8个，且每个冲击波探针22均与其中一个光纤传感器21在沿激波管1的长度方向上彼此对应。冲击波探针22采用PCB探针，优选为113B24高频通用压力传感器，具有微秒级的响应时间、高测量幅值和很宽的频响范围。由此，通过爆轰波到达的时间差可以计算出爆轰波在相邻两个光纤传感器21之间的局部平均速度。在同种工况和同一装置中，将光纤传感器21的采集结果与冲击波探针22所测得的结果进行了比较，以验证数据采集的可靠性，在混合气体能够爆轰的条件下，冲击波探针22的信号和对应的光纤探头21的信号同时出现，而对于爆燃情况，因为反应区与前导冲击波分离，此时，来自光纤传感器21的信号比来自对应的冲击波探针22的信号稍慢一些。

此外，该数据采集系统2还包括一压力传感器26，其采用欧米伽压力传感器，用于监测激波管1内的实时压力。具体型号及精度误差如表1所示。

表1压力传感器误差情况

射流控制系统3包括插设于激波管1的所述开孔的单向阀31、与单向阀31相连通的电磁阀32以及与电磁阀32连通的储气罐33，其中，单向阀31用于防止激波管1中的气体倒流，电磁阀32采用的是直动式2位/2通紧凑型电磁阀EV210A型，用来控制射流的射入以及防止气体倒流，储气罐33用于储存高压气体。

点火系统4的型号为DX-GDH-204070，供电电压220V，频率50HZ，点火能量为70焦耳。点火系统4包括高压电火箱和点火头。高压电火箱提供高电压；点火头是自制的火花塞式的结构，正负极之间可以瞬时放电，其前端安装了一段Shchelkin螺旋弹簧管，用来增强点火后爆轰的扰动。

射流控制系统3的电磁阀32和点火系统4均与一控制面板6相连，从而受其驱动，该控制面板6优选为adruino面板，由此可以控制电磁阀射流和点火系统4点火的时间顺序，由此，射流控制系统3和点火系统4可以达到高速射流的爆轰激励作用。为了达到理想的激励效果，我们采取先打开电磁阀32将高压气体从储气罐33中射出，形成方向如图2所示的高速射流，之后再关闭使得不再喷出高速射流，间隔一段时间，再进行点火。

试验混合气体系统5包括两个分别插设于激波管1的所述开孔的进出气口51、一真空泵52、多个气瓶53以及与进出气口51、真空泵52和气瓶53均相连的气体混合控制器54。真空泵52采用的是SN-2000型防爆型真空泵，该真空泵52的电机和机械结构均采取了隔爆措施，可以有效的防止电火花点燃可能泄露的可燃气体。真空泵52的最大功率0.55KW。抽气速率为16m³/h，可以达到的极限真空度为4×10^-2Pa。气瓶53的数量为4个，其容积均为40L，一个气瓶53装有燃料(乙炔)，一个气瓶53装有氧气，另一个气瓶53装有混合的可燃气体，可燃气体为混合的燃料和氧气，最后一个气瓶53装有高压惰性气体(氮气)。气体混合控制器54包括分别与进出气口51、真空泵52和气瓶53相连的多个阀门和管路，用来控制不同气体的进出。此外，装有惰性气体的气瓶53通过该气体混合控制器54与本发明的射流控制系统3中的储气罐33相连。

根据上文的基于高速射流的爆轰激励系统，所实现的基于高速射流的爆轰激励方法具体包括以下步骤：

步骤S1：提供根据上文所述的基于高速射流的爆轰激励系统；

此外，所述步骤S1还包括：将激波管1抽真空并检测气密性，具体包括：

首先，通过打开气体混合控制器54的与真空泵52相连的阀门来使真空泵52开始工作，大概需要15分钟左右的时间直到将整个激波管1抽至真空状态；随后，当激波管1的压力被抽至真空状态后，通过关闭气体混合控制器54的所有阀门，并通过观察压力传感器26的示数是否有变化来检测气密性。

步骤S2：采用试验混合气体系统5向所述激波管1内注入可燃气体。该可燃气体为混合的燃料和氧气，该可燃气体通过打开气体混合控制器54的与气瓶53的相连的阀门且通过其进出气口51而被注入激波管1内。可燃气体注入完成后，依次关闭进出气口51和气体混合控制器54上的所有阀门。并确认数据采集系统2均处于待机状态。

步骤S3：如图3所示，采用控制面板6触发射流控制系统3，使其电磁阀32打开而使储气罐33中的高压气体喷出，以形成高速射流；再间隔一段时间，采用控制面板6触发点火系统4，以在所述驱动管体内形成爆轰波；同时，采用数据采集系统2采集和储存数据。

其中，触发的时序如图3所示，即触发射流控制系统3的时间约为30-100s，间隔时间为20s，触发点火系统4的点火时间为50-100s。由此，先打开射流控制系统3的电磁阀32，在激波管1内形成高速射流，再关闭电磁阀32，随后触发点火系统4，在点火之后的火焰传播至射流喷射位置时，会使火焰遭遇径向速度很大的射流剪切作用，导致火焰变得不稳定，在射流的边界形成漩涡，将周围混合的气体卷入；并且射流产生的激波与激波管1内点火产生的激波相交在激波管1内的莫伊位置，使得激波强度增强。这些原因导致火焰的燃速以及反应能量释放的加速，最终对爆轰波的形成产生了激励作用。

其中，采用数据采集系统2采集和储存数据包括：

步骤S31：通过数据采集系统2的多个光纤传感器21和冲击波探针22采集所述爆轰波的信号；

其中，光纤传感器21所采集的信号为光信号，且光信号通过光电转化装置23转化为与该光信号相对应的电信号。冲击波探针22所采集的信号为压力信号，该压力信号通过压电信号转化装置24转化为与该压力信号相对应的电信号。

步骤S32：通过示波器25输出与光纤传感器21和冲击波探针22采集的信号对应的波形图；

其中，步骤S32还可以包括：通过后处理方法如matlab将光纤传感器21和冲击波探针22采集的信号的波形图处理至同一时间轴上，并根据信号的先后顺序来判断采集的是爆燃波还是爆轰波的信号；如果同一位置的光纤信号与PCB信号时间相同，则说明激波与火焰同时到达，判断为爆轰波；光纤信号时间落后于PCB信号时间，则说明激波在火焰之前到达，判断为爆燃波。

步骤S33，通过所述波形图获取所述爆轰波在每两个相邻光纤传感器21之间的平均速度与每两个相邻冲击波探针22之间的平均速度，并存储。

如图4所示为冲击波探针22的采集的信号随时间变化的图像。由此可见，相邻光纤传感器21之间的平均速度与相邻冲击波探针22之间的平均速度分别是通过在所述波形图上读取所述爆轰波到达相邻的光纤传感器21和相邻的冲击波探针22的时刻之差来获取的，且所述爆轰波到达光纤传感器21和冲击波探针22的时刻分别为光纤传感器21和冲击波探针22采集的信号开始上升的时刻。

图5示出了通过本发明的爆轰激励方法得到的一组爆轰波速度U与到点火器距离X的数据，其中可燃气体的压力为13kPa；射流压力为150kPa。由图5可知，距离点火系统1.6m处在有150kPa射流的情况下速度明显比无射流情况大，可以看出射流对爆轰波有激励作用。

此外，还包括步骤S4：尾气处理。打开激波管1和控制面板相连的所有阀门以及控制面板上的阀门，将爆轰完成后激波管1内产生的废气通过控制面板的管路抽走，待激波管1再次处于真空状态时，可根据实验所需压力进行下一次可燃气体加注操作。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (8)

1.一种基于高速射流的爆轰激励系统，其特征在于，包括激波管（1），该激波管（1）上设有多个开孔，并通过这些开孔沿激波管（1）的长度方向依次与试验混合气体系统（5）、数据采集系统（2）和射流控制系统（3）配合安装，且该激波管（1）的末端设有点火系统；所述数据采集系统（2）包括等间隔地插设于激波管（1）的所述开孔的多个光纤传感器（21）和多个冲击波探针（22），射流控制系统（3）和点火系统（4）均与一控制面板（6）相连；

所述射流控制系统（3）包括插设于激波管（1）的所述开孔的单向阀（31）、与单向阀（31）相连通的电磁阀（32）以及与电磁阀（32）连通的储气罐（33）；装有高压惰性气体的气瓶（53）通过气体混合控制器（54）与所述储气罐（33）相连；

所述光纤传感器（21）的数量多于冲击波探针（22）的数量，每个冲击波探针（22）均与其中一个光纤传感器（21）在沿激波管（1）的长度方向上彼此对应；所述光纤传感器（21）与一光电转化装置（23）相连，所述冲击波探针（22）与一压电信号转化装置（24）相连，且该光电转化装置（23）和压电信号转化装置（24）均与一示波器（25）相连；

光纤传感器（21）的采集结果与冲击波探针（22）所测得的结果用于进行比较，确认在混合气体能够爆轰的条件下，冲击波探针（22）的信号和对应的光纤探头（21）的信号同时出现，而对于爆燃情况，来自光纤传感器（21）的信号比来自对应的冲击波探针（22）的信号慢，以验证数据采集的可靠性。

2.根据权利要求1所述的基于高速射流的爆轰激励系统，其特征在于，所述数据采集系统（2）还包括一压力传感器（26）。

3.根据权利要求1所述的基于高速射流的爆轰激励系统，其特征在于，所述试验混合气体系统（5）包括两个分别插设于激波管（1）的所述开孔的进出气口（51）、一真空泵（52）、多个气瓶（53）以及与进出气口（51）、真空泵（52）和气瓶（53）均相连的气体混合控制器（54），气体混合控制器（54）包括分别与进出气口（51）、真空泵（52）和气瓶（53）相连的多个阀门和管路。

4.根据权利要求3所述的基于高速射流的爆轰激励系统，其特征在于，所述气瓶（53）的数量为4个，所述的4个气瓶（53）分别装有燃料、氧气、可燃气体和高压惰性气体。

5.一种基于高速射流的爆轰激励方法，其特征在于，包括：

步骤S1：提供一基于高速射流的爆轰激励系统，其包括激波管（1），该激波管（1）上设有多个开孔，并通过这些开孔沿激波管（1）的长度方向依次与试验混合气体系统（5）、数据采集系统（2）和射流控制系统（3）配合安装，且该激波管（1）的末端设有点火系统；所述数据采集系统（2）包括等间隔地插设于激波管（1）的所述开孔的多个光纤传感器（21）和多个冲击波探针（22），射流控制系统（3）和点火系统（4）均与一控制面板（6）相连；所述射流控制系统（3）包括插设于激波管（1）的所述开孔的单向阀（31）、与单向阀（31）相连通的电磁阀（32）以及与电磁阀（32）连通的储气罐（33）；装有高压惰性气体的气瓶（53）通过气体混合控制器（54）与所述储气罐（33）相连；

所述光纤传感器（21）的数量多于冲击波探针（22）的数量，每个冲击波探针（22）均与其中一个光纤传感器（21）在沿激波管（1）的长度方向上彼此对应；所述光纤传感器（21）与一光电转化装置（23）相连，所述冲击波探针（22）与一压电信号转化装置（24）相连，且该光电转化装置（23）和压电信号转化装置（24）均与一示波器（25）相连；

步骤S2：采用试验混合气体系统（5）向所述激波管（1）内注入可燃气体；

步骤S3：采用所述控制面板（6）触发射流控制系统（3），以形成高速射流；再间隔一段时间，采用所述控制面板（6）触发点火系统（4），以在驱动管体内形成爆轰波；同时，采用数据采集系统（2）采集和储存数据；将光纤传感器（21）的采集结果与冲击波探针（22）所测得的结果进行比较，确认在混合气体能够爆轰的条件下，冲击波探针（22）的信号和对应的光纤探头（21）的信号同时出现，而对于爆燃情况，来自光纤传感器（21）的信号比来自对应的冲击波探针（22）的信号慢，以验证数据采集的可靠性。

6.根据权利要求5所述的基于高速射流的爆轰激励方法，其特征在于，所述试验混合气体系统（5）包括两个分别插设于激波管（1）的所述开孔的进出气口（51）、一真空泵（52）、多个气瓶（53）以及与进出气口（51）、真空泵（52）和气瓶（53）均相连的气体混合控制器（54），气体混合控制器（54）包括分别与进出气口（51）、真空泵（52）和气瓶（53）相连的多个阀门和管路，所述数据采集系统（2）还包括一压力传感器（26）；

且所述步骤S1还包括：首先，通过打开气体混合控制器（54）的与真空泵（52）相连的阀门，直到将激波管（1）抽至真空状态，随后，通过关闭气体混合控制器（54）的所有阀门，并通过观察压力传感器（26）的示数是否有变化来检测气密性；在所述步骤S2中，所述可燃气体为混合的燃料和氧气，该可燃气体通过打开气体混合控制器（54）的与气瓶（53）的相连的阀门且通过所述进出气口（51）而被注入激波管（1）内。

7.根据权利要求5所述的基于高速射流的爆轰激励方法，其特征在于，触发射流控制系统（3）的时间约为30-100s，间隔时间为20s，触发点火系统（4）的点火时间为50-100s。

8.根据权利要求5所述的基于高速射流的爆轰激励方法，其特征在于，采用数据采集系统（2）采集和储存数据包括：

步骤S31：通过数据采集系统（2）的多个光纤传感器（21）和冲击波探针（22）采集所述爆轰波的信号；

步骤S32：采用一示波器（25）输出与光纤传感器（21）和冲击波探针（22）采集的信号对应的波形图；并通过后处理方法将光纤传感器（21）和冲击波探针（22）采集的信号的波形图处理至同一时间轴上，并根据信号的先后顺序来判断采集的是爆燃波还是爆轰波的信号；

步骤S33，通过所述波形图获取所述爆轰波在每两个相邻光纤传感器（21）之间的平均速度与每两个相邻冲击波探针（22）之间的平均速度，并存储。

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