CN113484026A - 一种激波聚焦点火以及相应点火特性测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激波聚焦点火以及相应点火特性测量装置，包括双膜激波管、安装于双膜激波管上的PCB压力传感器和光电倍增管，以及与PCB压力传感器和光电倍增管相连的数据采集系统；所述双膜激波管包括依次连接的驱动段、中间段和被驱动段，被驱动段的一侧端面上设有端面组件，所述端面组件由端面法兰和面向被驱动段的内部的可拆卸反射面组成，可拆卸反射面均为收缩形反射面；所述驱动段和中间段设有第一PET膜，中间段和被驱动段设有第二PET膜。本发明还提供了相应的方法。本发明的装置利用可拆卸反射面产生激波聚焦，方便研究发射面与激波聚焦的关系，且结构简单，操作性好，可重复性高，解决了对激波聚焦效果有效监测的难题。

Description

一种激波聚焦点火以及相应点火特性测量装置及方法

技术领域

本发明属于激波实验技术领域，具体涉及一种激波聚焦点火以及相应点火特性测量装置及方法。本发明可应用于不同反射面产生的激波聚焦的点火效果的测量，在爆轰物理，激波物理以及流体动力学等研究领域中有着广泛的应用前景。

背景技术

爆轰是一种激波与燃烧波强耦合的一种燃烧现象，其特点是激波与燃烧波相互耦合高速自持传播，速度可以达到几千米每秒，能量释放速度极快。在安全生产方面，了解爆轰现象的产生原因并进行预防对于人员与财产安全有着重大意义。同时在推进领域，研究人员也很早研究了将爆轰利用于发动机推进的可能，目前对于爆轰发动机的研究最核心的问题就是爆轰发动机的点火问题。

爆轰发动机将应用于高速推进领域，而当飞行器的飞行速度很高时，由于飞行器燃烧室的长度有限，空气驻留在燃烧室的时间也十分有限，只有毫秒甚至微秒量级的时间。在这么短的时间内，如何实现燃料的快速可靠点火成为主要问题。对于爆轰发动机起爆问题，以前的科研人员提出了很多的方法：直接起爆法、在燃料中加入强化爆轰的添加剂、预爆轰管法、利用固体障碍物进行爆燃转爆轰、利用射流进行爆燃转爆轰。但是都有相应的缺点难以进行实际应用之中。

直接起爆法，顾名思义就是直接利用火花塞点火头对燃料进行点火，其最大的缺点是所需点火能量巨大，对与有些碳氢燃料，其点火能量高达几百千焦，利用火花塞的能量(最大几十焦耳)不足以点燃；在燃料中加入强化爆轰的添加剂，如硝酸盐或过氧化氢可以有效降低点火所需的活化能，减小点燃的难度，但是其最大缺点是需要额外的添加剂储存和供给装置，这也会极大地增加系统的复杂度；预爆轰管是预先在较小的预爆轰管产生爆轰再向主爆轰管传播产生爆轰，但是其主要缺点是预爆轰管的引入会带来爆轰能否顺利向主爆轰管内传播的问题。

上面的几种方法都是属于直接起爆的方法，有着比较明显的缺陷，在实际工程运用与实验室研究中通常使用爆燃转爆轰的方法来产生爆轰波。爆燃是一种以每秒数米至数百米的亚音速传播的燃烧波，由一个前方的激波与后方的燃烧面组成，爆燃现象在自然界中广泛的存在，在实验与实际工况中也容易获得。利用爆燃转爆轰来获取可靠的爆轰是爆轰发动机的重要突破方向。爆燃转爆轰主要有两种方式一个是利用固体障碍物诱导爆轰，如挡板，圆环等等，还有一种是利用横向流体射流诱导爆轰。其可有效降低爆燃转爆轰时间与诱导距离，但是最主要的缺点是会带来总压的下降与推力的丧失。而利用横向射流诱导爆轰可以降低总压损失，但是有和强化爆轰添加剂一样的缺点：需要专门的流体储存装置，而且射流的控制也会增加系统复杂度。

随着人们对于激波聚焦的现象认识加深，利用激波聚焦诱导爆轰成为新的热点。激波是气体、液体和固体介质中压强，密度与温度在波阵面产生突然阶跃变化的压缩波，也叫冲击波。利用激波在不同楔形面凹腔产生激波聚焦现象，这会带来瞬时的高能区域，瞬间的高温高压会使燃料点燃。使用激波聚焦的优点在于该方法不需要主动点火装置，使用流场产生的高能区域自点火，而且带来的总压损失小于利用射流或障碍物诱导爆轰，同时除楔面凹腔不需要引入其他需要控制的复杂系统。

针对目前对激波聚焦的研究，在实验室中大多使用尾端面法兰平面与需要研究的反射面焊接，这样保证了实验装置的气密性，但是提高了尾端反射面的加工成本。目前激波聚焦用的都是半球形聚焦装置，见申请号为202011026231.1、201910606246.6、202011435485.9的专利文件。

另一方面，目前对于激波管燃料实验的测量，通常是使用压力传感器测量激波到达时间与激波压力，利用光电倍增管测量指定波长的光信号，来获得燃烧信息，核心的数据的点火延迟时间。目前对于激波聚焦现象的测量还没有相关的产品，完全处于实验室研究的状态。激波聚焦诱导是在双膜激波管中，利用入射激波聚焦点火，因为产生爆轰的位置比较固定在反射面不远处，如果此处没有产生爆轰那么传播到接触面后的惰性驱动气体中也不会产生爆轰。因此，激波聚焦诱导爆轰的激波管测量装置具有DDT距离相对固定的特点，在普通的常见激波管(即常规研究点火延迟的激波管)中为了提高壁面光滑性，一般只有壁面压力传感器和端面压力传感器两个传感器，无法研究后续激波反射后的波系变化。对于激波聚焦问题，不同于普通的平面反射，由于加入了楔形凹腔，端面的截面会缩小，只用普通激波管的两个压力传感器(通常一个位于端面一个位于距离端面不远的壁面)无法准确测量入射激波速度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激波聚焦点火以及相应点火特性测量装置及方法，以方便研究发射面与激波聚焦的关系。

为了实现上述目的，本发明提供一种激波聚焦点火以及相应点火特性测量装置，包括双膜激波管、安装于所述双膜激波管上的PCB压力传感器和光电倍增管，以及与所述PCB压力传感器和光电倍增管相连的数据采集系统；所述双膜激波管包括依次连接的驱动段、中间段和被驱动段，被驱动段的一侧端面上设有端面组件，所述端面组件由端面法兰和面向被驱动段的内部的可拆卸反射面组成，可拆卸反射面均为收缩形反射面；所述驱动段和中间段设有第一PET膜，中间段和被驱动段设有第二PET膜。

所述驱动段的连接中间段的一端、中间段的两端与被驱动段的连接中间段的一端安装有特制法兰，所述特制法兰上设有凹槽；驱动段的连接中间段的一端的凹槽与中间段的一端的凹槽之间夹设有两个第一橡胶垫片，且两个第一橡胶垫片之间夹设有所述第一PET膜；被驱动段的连接中间段的一端的凹槽与中间段的另一端的凹槽之间夹设有两个第二橡胶垫片，且两个第二橡胶垫片之间夹设有所述第二PET膜。

所述驱动段的管壁上安装有与面板连接的第一通道，以及第一压力表；所述中间段在其管壁上设有与面板连接的第二通道、第二压力表和电磁阀；所述被驱动段在其管壁上设有与面板连接的第三通道、第三压力表；面板上还连接有混合燃气进气口、氮气进气口、氦气进气口与真空泵，面板上设有驱动所述第一通道、第二通道、第三通道、混合燃气进气口、氮气进气口、氦气进气口与真空泵启闭的开关。

所述被驱动段在其管壁下侧还装有多个壁面PCB压力传感器；在端面组件的正中央设有一个端面PCB压力传感器，壁面PCB压力传感器和端面PCB压力传感器均通过恒流适配器连接所述数据采集系统。

所述端面法兰在其面向被驱动段的一面上设有多个等距离地周向排布在端面法兰的径向外侧的第一安装孔、设于第一安装孔的径向内侧的一个环形凹槽、等距离地周向排布在环形凹槽的径向内侧的第二安装孔以及设于端面法兰的正中央的第三安装孔；所述端面法兰通过第一安装孔和螺栓来与被驱动段紧固连接；所述被驱动段上设有与所述环形凹槽匹配的环形凸起，且环形凹槽和环形凸起之间夹设有材质为四氟乙烯的垫片；第二安装孔通过螺丝与可拆卸反射面的安装面连接；第三安装孔通过M20卡套端面与PCB压力传感器P4连接固定。

所述可拆卸反射面均为收缩形反射面，所述可拆卸反射面的安装面的中心设有与端面PCB压力传感器对准的开口。

所述被驱动段在其管壁上侧安装有1个光电倍增管，光电倍增管与最靠近端面组件的壁面PCB压力传感器在同一截面，光电倍增管与所述数据采集系统相连。

另一方面，本发明提供一种激波聚焦点火以及相应点火特性测量方法，包括：

S1：选择所需实验的反射面，搭建上文所述的激波聚焦点火以及相应点火特性测量装置；其中，所述的激波聚焦点火以及相应点火特性测量装置的驱动段的管壁上安装有与面板连接的第一通道，以及第一压力表；中间段在其管壁上设有与面板连接的第二通道、第二压力表和电磁阀；被驱动段在其管壁上设有与面板连接的第三通道、第三压力表；面板上还连接有混合燃气进气口、氮气进气口、氦气进气口与真空泵，面板上设有驱动所述第一通道、第二通道、第三通道、混合燃气进气口、氮气进气口、氦气进气口与真空泵启闭的开关；

S2：将所述激波聚焦点火以及相应点火特性测量装置的面板打开，通过真空泵将驱动段、中间段和被驱动段的空气抽空；抽空后关闭中间段和驱动段的与面板相连的通道，向被驱动段内填充预混燃气；关闭被驱动段的与面板相连的通道，打开中间段和驱动段的与面板相连的通道，填充氦气与氮气的混合气体；

S3：关闭驱动段、中间段和被驱动段的与面板连接的通道和压力表的开关；按下与中间段连接的电磁阀，使得第一PET膜和第二PET膜依次破裂，以产生一个向反射面传播的激波。

在所述步骤S1中，所述激波聚焦点火以及相应点火特性测量装置的第一PET膜和第二PET膜的厚度由被驱动实验气体的类型、实验的目标五区温度、目标五区压力、激波管初始温度和激波衰减系数来确定，以满足缝合条件；在所述步骤S2中，中间段的压强为驱动段与被驱动段的压强的均值；驱动段的氦气与氮气的气体比例、被驱动段和驱动段的压强根据被驱动实验气体的类型、目标五区温度、目标五区压力、激波管初始温度和激波衰减系数来确定，以满足缝合条件。

所述被驱动段在其管壁下侧还装有多个壁面PCB压力传感器；在端面组件的正中央设有一个端面PCB压力传感器，壁面PCB压力传感器和端面PCB压力传感器均通过恒流适配器连接所述数据采集系统；所述被驱动段在其管壁上侧安装有1个光电倍增管，光电倍增管与最靠近端面组件的壁面PCB压力传感器在同一截面，光电倍增管与所述数据采集系统相连；

所述激波聚焦点火以及相应点火特性测量方法还包括：

S4:利用压力传感器记录经过激波聚焦后的压力信号，并且利用光电倍增管尝试记录点火延迟时间；

S5：利用数据采集系统收集压力传感器和光电倍增管采集到的信号，保存实验数据；

S6：打开面板，将实验残留气体排出。

本发明的激波聚焦点火以及相应点火特性测量装置，利用在端面法兰上的可拆卸反射面产生激波聚焦，在需要更换研究对象时只需要重新将所研究反射面安装在尾部端面上即可，与整体加工的反射端面相比成本更低，更换反射面更加方便，从而解决了反射面加工成本较高的问题；并且可以通过在相同工况下，对比多种可拆卸的反射面，以方便研究发射面与激波聚焦的关系，从而获得最佳点火效果的反射面；此外，本发明的激波聚焦点火以及相应点火特性测量装置采用不同厚度的PET(耐高温聚酯薄膜)作为双膜破膜激波管的膜片，与常用的铝膜相比成本低，可重复性强。

本发明的激波聚焦点火以及相应点火特性测量装置在被驱动端的管壁加装了多个壁面压力传感器，可以测量激波聚焦的入射激波速度并观察激波聚焦反射后的反射波系变化，可以获得更多的流场变化数据。

本发明的激波聚焦点火以及相应点火特性测量装置结构简单，成本低，操作简便，实验结果可靠，可重复性高。

附图说明

图1为根据本发明的一个实施例的一种激波聚焦点火以及相应点火特性测量装置的结构示意图；

图2A-图2D为如图1所示的激波聚焦点火以及相应点火特性测量装置的端面组件的端面法兰和可拆卸反射面的结构示意图，其中，图2A示出了端面法兰，图2B示出了半球形反射面，图2C示出了90度顶角锥面反射面，图2D示出了60度锥面反射面；

图3为半球面激波聚焦实验压力信号与光电倍增管信号图；

图4A示出了缝合条件下第三PCB压力传感器的压力信号图；

图4B示出了使用氮气作为驱动气时第三PCB压力传感器的压力信号图；

图5为90°锥面激波聚焦实验压力信号与光电倍增管信号图；

图6为60°锥面激波聚焦实验压力信号与光电倍增管信号图；

图7是不同反射面点火延迟时间与激波速度实验结果数据图。

具体实施方法

下面结合附图，给出本发明的一个实施例，对本发明的方案做进一步详细的解释和说明。

如图1所示为根据本发明的一个实施例的一种激波聚焦点火以及相应点火特性测量装置，其利用可选择反射面产生激波聚焦，并利用传感器与光电倍增管对反射聚集波与点火特性进行测量。所述激波聚焦点火以及相应点火特性测量装置包括双膜激波管1、安装于所述双膜激波管1上的PCB压力传感器和光电倍增管3，以及与所述PCB压力传感器和光电倍增管3相连的高频的数据采集系统。

如图1所示，所述双膜激波管1由三段刚性管道组成。所述刚性管道的材质为不锈钢。双膜段激波管的刚性管道的总段数是固定的，只有三段，包括依次连接的驱动段11、中间段12和被驱动段13。刚性管道的各段长度是可以改变的，中间段的尺寸一般很小，主要关注点在于驱动段和被驱动段的比例，对于目标马赫数，激波管的驱动段11和被驱动段13存在最佳长度比，可以提高激波管实验运行时间。在本实施例中，驱动段11和被驱动段13使用1：1的比例，不是最佳长度比，但是长度足够，如果使用缝合条件来延长实验时间，则运行时间可以达到6-8ms，激波聚焦点火基本都在2ms以内，所以不需要设置最优比例。在本实施例中，所述刚性管道是总长为6.1m，内径为73mm的圆形管道，驱动段11的长度为3m，中间段12的长度为0.1m，被驱动段13的长度为3m。

驱动段11的一端(图中左侧)与平面端面通过法兰连接。驱动段11的另一端(即连接中间段12的一端，为图中右侧)上安装有特制法兰，其上有直径为120mm，深度4mm的凹槽，该凹槽用于容置橡胶垫片，中间段12的两端与被驱动段13的连接中间段的一端(图中左侧)安装有同样的特制法兰。驱动段11的连接中间段12的一端(图中右侧)的凹槽与中间段12的一端的凹槽之间夹设有两个第一橡胶垫片，且两个第一橡胶垫片之间夹设有合适厚度的第一PET膜；类似地，被驱动段13的连接中间段的一端的凹槽与中间段12的另一端的凹槽之间夹设有两个第二橡胶垫片，且两个第二橡胶垫片之间夹设有合适厚度的第二PET膜。由此，使得驱动段11和中间段12设有第一PET膜，中间段12和被驱动段13设有第二PET膜。第一PET膜和第二PET膜的厚度需要根据实验条件确定。在本实施例中，第一橡胶垫片、第二橡胶垫片的外径均为120mm，内径均为73mm，厚度均为8mm。由此，在每次实验之前更换好膜之后，通过拧紧两侧法兰并利用橡胶垫片夹紧PET膜，从而保证装置气密性。

驱动段11的管壁上安装有与面板20连接的第一通道151，以及第一压力表161。

中间段12在其管壁上设有第二通道152、第二压力表162和电磁阀17，第二压力表162与面板20连接，用来观察中间段12压力；电磁阀17用于在按下开关时使得中间段气体可以迅速经由该电磁阀17排出；第二通道152用于经由面板20抽气和进气。其中，电磁阀17的作用是使得空气经由电磁阀17排出，使得中间段12的压强大幅降低，中间段12连接大气最低能排到大气压；而面板20在抽气时的作用则是利用真空泵抽真空，使得中间段12的压强最低可以达到kPa的量级。在本实施例中，电磁阀17为上海邦颂公司的型号为BS22A的电磁阀，公称压力为16MPa，公称通径为6mm，介质温度为90K,使用24V直流电源供电。

被驱动段13在其管壁上设有与面板20连接的第三通道153、第三压力表163，且被驱动段13的一侧端面上设有端面组件14。被驱动段13在其管壁下侧还装有多个壁面PCB压力传感器P1、P2、P3(分别为第一PCB压力传感器P1、第二PCB压力传感器P2和第三PCB压力传感器P3)。

其中，面板20上还连接有混合燃气进气口21，氮气进气口22、氦气进气口23与真空泵24，面板设置为连接第一、第二、第三通道151、152、153、混合燃气进气口21、氮气进气口22、氦气进气口23与真空泵24等所有气路，面板上设有驱动各个气路启闭的开关，以方便操作。混合燃气进气口21用于输入提前24h预混好的预混燃气。面板20设置为通过氮气进气口和氦气进气口提供按缝合条件混合的氦气和氮气。因此，利用面板来抽出驱动段11的管道内的空气与上次实验的燃烧产物，以在实验开始前去除其他因素影响，并在实验开始后还可以通过面板、氮气进气口和氦气进气口向驱动段11加入适当比例的氦气与氮气的混合物作为驱动气体。氦气和氮气按缝合条件混合是为了延长实验时间，如果驱动气体全是氮气，由于氮气分子量比较大，在接触面达到后，五区压力会上升；而如果驱动气体全是氦气，分子量较小，接触面到达后，五区压力会下降。以适当比例混合可以使五区压力不变，维持更长的实验时间。缝合条件的压力比例是固定的数值，在本发明中，氦气的压强组分0.7187，氮气的压强组分为0.2813。这里的五区平台是指激波管内，入射激波经过反射后，产生反射激波，反射激波波后(即五区)的温度和压力可以在一段时间内维持稳定，这段稳定的时间就是五区平台时间，单位是ms。

在本实施例中，壁面PCB压力传感器P1、P2、P3设置在被驱动段13的管壁上，其型号均为113B24。驱动段11的管壁上设有传感器安装孔(在本实施例中，传感器安装孔为M20的螺纹孔)；壁面PCB压力传感器P1、P2、P3上的螺纹通过M20卡套与驱动段11的管壁上的传感器安装孔拧紧，且在连接处涂抹有适量的硅胶保证气密性。壁面PCB压力传感器P1、P2、P3的数量为多个，其具体值可以根据实验精度要求与观察范围进行设置，没有具体限制，但是最靠近端面组件14的壁面PCB压力传感器(即第三PCB压力传感器P3)要与端面的距离尽可能的小，这样反射激波建立五区平台的时间才足够准确。

在本实施例中，壁面PCB压力传感器P1、P2、P3的数量为3个。第三PCB压力传感器P3与端面的距离为7cm，第二PCB压力传感器P2与第三PCB压力传感器P3的距离为43cm，第二PCB压力传感器P2与第一PCB压力传感器P1的距离为50cm。

再请参见图1，被驱动段13在其管壁上侧还装有1个光电倍增管3。光电倍增管3加装OH基波长滤光片，该滤光片用于过滤燃烧过程中其他基元的发光信号，OH基是燃烧过程中的重要中间产物，常用OH基的信号判断点火是否开始。光电倍增管3与最靠近端面组件14的壁面PCB压力传感器在同一截面，用来确定点火延迟时间。光电倍增管3设置在管壁上侧是为了防止通道被实验后被从中间段打到端面组件14附近的PET碎片堵塞，影响后续实验的数据。

光电倍增管3与高频的数据采集系统(图未示)相连，从而通过光电倍增管3的信号确定延迟点火时间和反应的剧烈程度。光电倍增管3的信号与最靠近端面组件14的第三PCB压力传感器P3的信号对比可以获得点火延迟时间，具体来说，从第三PCB压力传感器P3获得反射激波压力信号开始到光电倍增管3产生开始产生电压结束，这个时间间隔是点火延迟时间，是重要的燃烧特性参数。同时，光电倍增管3获得的电压大小也可以反应燃烧的剧烈程度。光电倍增管3由高压直流电源供电，直流电源的电压为800V，光电倍增管与数据采集系统连接。由此，实验开始后，如果燃烧产生，则燃烧产生的OH基的波长的光可以通过滤光片，被光电倍增管3获得并放大，被数据采集系统记录。

数据采集系统是英国比克公司的PicoScope4824，有8通道，采样频率为40Msample/s。数据采集系统通过BCN线与恒流适配器连接获得压力信号，与光电倍增管连接获得燃烧信号。将数据采集系统与计算机连接，每次实验数据可以自动上传保存到计算机内。

如图2A-图2D所示，所述端面组件14由端面法兰141和面向被驱动段13的内部的可拆卸反射面组成。端面组件14为本发明独创的，其根据实验需要可以更换反射面，以选择产生激波聚焦的反射面。

端面法兰141的尺寸与激波管被驱动段13的右侧尺寸一致，其面向被驱动段13的一面上设有多个等距离地周向排布在端面法兰141的径向外侧的第一安装孔1411，设于第一安装孔1411的径向内侧的一个环形凹槽1412，等距离地周向排布在环形凹槽1412的径向内侧的第二安装孔1413以及设于端面法兰141的正中央的第三安装孔1414。

端面法兰141通过第一安装孔1411和螺栓来与被驱动段13紧固连接，来实现固定。被驱动段13上设有与所述环形凹槽1412匹配的环形凸起，且环形凹槽1412和环形凸起之间夹设有材质为四氟乙烯的垫片，从而在夹紧后保证装置气密性。第二安装孔1413通过螺丝与可拆卸反射面的安装面连接，且第二安装孔1413的沉头孔中设有垫片，以保证气密性。在端面组件14的正中央设有一个端面PCB压力传感器P4，以获得聚焦后的顶点压力变化，第三安装孔1414通过M20卡套端面与PCB压力传感器P4连接固定。

壁面PCB压力传感器P1、P2、P3和端面PCB压力传感器P4均与恒流适配器连接，从而通过恒流适配器连接上文所述的数据采集系统。恒流适配器处理实验信号，降噪或者进行增益，使其在数据采集系统中更明显。由此，当有激波经过产生压力变化，其产生变化的时间与压力变化前后的数值就会被数据采集系统记录。

在本实施例中，第一安装孔1411的数量为8个，尺寸为M22。环形凹槽1412的深度为6mm，环形凸起的高度为6mm。第二安装孔1413为沉头孔，其数量为4个，且尺寸为M8。第三安装孔1414优选为尺寸为M20的螺纹孔。

如图2B-图2D所示，可拆卸反射面均为收缩形反射面，以产生激波聚焦。所有的可拆卸反射面的材质均是不锈钢，且是立体的实心结构。根据本发明的三个实施例，可拆卸反射面可以具有半球面(对应于可拆卸反射面142)，具有90°顶角的锥面(对应于可拆卸反射面143)和具有60°顶角的锥面(对应于可拆卸反射面144)。其中，这里的顶角，指的是反射锥面顶角。可拆卸反射面的安装面的中心设有与端面PCB压力传感器P4对准的开口，用于供端面PCB压力传感器P4测量压力。在本实施例中，开口的直径为6mm，可拆卸反射面的安装面的直径都为72mm。可拆卸反射面的安装面上还设有与第二安装孔1413匹配的螺纹孔，在本实施例中，所述螺纹孔为M8螺纹孔。

下面具体说明第一PET膜和第二PET膜的厚度的确定。

本发明使用双膜段来产生目标强度的激波，第一PET膜和第二PET膜的厚度根据实验前和实验时的中间段12与驱动段11、中间段12和被驱动段13之间的压强差来确定。第一PET膜和第二PET膜的厚度设置为在实验前保证中间段12与驱动段11、中间段12和被驱动段13之间的压强差均小于第一PET膜和第二PET膜的破膜压差，且在实验时中间段12与驱动段11、中间段12和被驱动段13之间的压强差大于膜的破膜压差。

中间段12的初始压强为驱动段11和被驱动段13的压强的平均值。驱动段11和被驱动段13的压强利用程序计算，驱动段11和被驱动段13的压强根据被驱动实验气体的类型、目标五区温度、目标五区压力、激波管初始温度和激波衰减系数来确定，以满足缝合条件；因此第一PET膜和第二PET膜的厚度根据被驱动实验气体的类型、目标五区温度、目标五区压力、激波管初始温度和激波衰减系数来确定，以满足缝合条件。具体的推导过程使用的是加州理工激波管与爆轰工具箱。在本发明中，被驱动气体为甲烷预混燃气(CH4：O2：Ar＝6.3：12.6；81.1)，驱动气体是氦气与氮气，且驱动气体的压强高于被驱动气体的压强，五区压力5bar，五区温度1200K，驱动段11和被驱动段13的计算结果如下：

在实验前，被驱动段13中填充有0.17823bar的预混燃气，驱动段11中填充有1.51bar的氮气与6.29bar的氦气混合的7.8bar的混合气体(即混合驱动气)，那么中间段12则为1.51bar的氮气与2.49bar的氦气混合的4bar的混合气体。

对于上面的被驱动气体为甲烷预混燃气，五区压力5bar，五区温度1200K的例子，可以使用两个厚度为0.05mm或0.075mm的PET膜作为双膜段的膜片，初始条件下，驱动段与中间段和中间段与被驱动段的压差都约为3.8bar，小于膜的破膜压差，膜不会提前破裂。实验开始后，中间段压力降低到1bar，与高压段压差为6.8bar,大于膜的破膜压差，膜会顺利破裂，产生目标强度激波。

使用PET膜(高温聚酯薄膜)作为双膜破膜机构使用膜为本发明独创，PET膜气密性好，机械性能优异，是传统热塑性材料中，抗张强度，抗冲击强度与强韧性最好的。与传统使用铝膜上打不同的十字花刀来作为膜片相比，PET膜不需要设置花刀图案，成本低，可重复性强。对于本发明内径为73mm的圆形管道，经过实验标定，不同厚度的PET膜破膜压差如下：

PET膜厚度/mm	破膜压差/bar
		0.0125	0.85
0.025	1.4
		0.038	3.7
0.05	4.6
		0.075	5.6
0.1	7.2
		0.12	8.9
0.15	9.2

下面具体说明本发明的工作原理。

实验开始后，打开电磁阀17，将中间段12联通大气，中间段12的压力瞬间降低，此时驱动段11与中间段12压力差迅速变大，会使驱动段11与中间段12之间的PET膜撕裂，中间段12的压力再次升高到与驱动段11一致，再将中间段12与被驱动段13的PET膜撕裂，产生设计目标强度的激波。具由于对于甲烷预混燃气作为被驱动气体，想要产生对于平面激波五区压力为5bar,五区温度为1200K的激波，通过计算需要入射激波的速度为781.83m/s，被驱动段13填充有0.17823bar的甲烷预混燃气，驱动段11为1.51bar的氮气与6.29bar的氦气混合的7.8bar的混合驱动气，那么中间段12则为1.51bar的氮气与2.49bar的氦气混合的混合气体。由此，通过双膜激波管可以产生指定强度的入射激波，并利用在端面加装的反射面产生激波聚焦现象。

由此，本发明使用双膜激波管1与可拆卸反射面组成激波生成与聚焦系统；使用PCB压力传感器与数据采集系统组成激波信号采集系统；使用光电倍增管3、高压直流电源与数据采集系统组成燃烧波信号采集系统。

基于上文所述的激波聚焦点火以及相应点火特性测量装置，所实现的激波聚焦点火以及相应点火特性测量方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：选择所需实验的反射面，搭建上文所述的激波聚焦点火以及相应点火特性测量装置。

其中，在搭建上文所述的激波聚焦点火以及相应点火特性测量装置的过程中，将所述反射面安装在被驱动段13的端面上，将第一PET膜和第二PET膜分别夹在驱动段与中间段、中间段与被驱动段之间。第一PET膜和第二PET膜的厚度由被驱动实验气体的类型、实验的目标五区温度、目标五区压力、激波管初始温度和激波衰减系数来确定，以满足缝合条件。将合适厚度的第一PET膜和第二PET膜夹在驱动段与中间段，中间段与被驱动段之间。

步骤S2：将所述激波聚焦点火以及相应点火特性测量装置的面板20打开，通过真空泵将驱动段11、中间段12和被驱动段13的空气抽空；抽空后关闭中间段12和驱动段11的与面板20相连的通道，向被驱动段13内填充预混燃气；关闭被驱动段13的与面板20相连的通道，打开中间段12和驱动段11的与面板20相连的通道，按照所需强度的激波，填充氦气与氮气的混合气体。

在所述步骤S2中，中间段12所填充的气体比例不是很重要，中间段12的压强为驱动段11与被驱动段13的压强的均值。

驱动段11的氦气与氮气的气体比例、被驱动段13和驱动段11的压强根据被驱动实验气体的类型、目标五区温度、目标五区压力、激波管初始温度和激波衰减系数来确定，以满足缝合条件。

步骤S3：关闭驱动段11、中间段12和被驱动段13的与面板20连接的通道151、152、153和压力表161、162、163的开关；按下与中间段12连接的电磁阀17，使得中间段12泄压，中间段与驱动段的压强差变大，当压强差足够大，进而使得中间段12与驱动段11的第一PET膜会破裂，破裂的瞬间，被驱动段13与中间段12的第二PET膜也会破裂，即，使得第一PET膜和第二PET膜依次破裂，以产生一个向反射面传播的激波。

此外，还可以包括：

步骤S4:由于入射激波向反射面传播，利用压力传感器P1-P4记录经过激波聚焦后的压力信号，并且利用光电倍增管3尝试记录点火延迟时间；由此，如果产生激波聚焦自点火，则点火产生的点火延迟时间会被光电倍增管3记录。

步骤S5：利用数据采集系统收集压力传感器P1-P4和光电倍增管3采集到的信号，保存实验数据。由此，可以得到激波反射聚焦的压力信号图与光电倍增管电压图，可以观察激波聚焦后续的波系变化与点火延迟时间。

步骤S6：实验结束，打开面板20，将实验残留气体排出。随后可以回到步骤S1，以更换第一PET膜和第二PET膜，重新安装好后抽真空，以准备下次实验。

实验结果

如图3所示，实验记录下半球面反射面的压力信号与光电倍增管的电压，实验使用对于平面反射的缝合接触面条件(即缝合条件)，目标反射波后压力5bar，反射后温度1025K，被驱动段为0.2411bar的甲烷混合燃气。如果驱动气体全是氮气，由于氮气分子量比较大，在接触面达到后，五区压力会上升；而如果驱动气体全是氦气，分子量较小，接触面到达后，五区压力会下降。因此根据缝合条件，以适当比例混合可以使五区压力不变，维持更长的实验时间。

在本实施例中，为了满足缝合条件，驱动段使用2.08bar的氮气与5.69bar的氦气混合作为混合驱动气，图4A中示出了，在缝合条件下接触面到达后气体平均分子量经过设计，压力不会有较大波动，维持在5bar的时间较长，第三PCB压力传感器P3所测得的维持在目标的五区压力5bar的时间就是五区平台时间，为6.291ms。如图4B所示，如果没有使用缝合条件，只使用氮气作为驱动气，运行时间很短，接触面之后的氮气到达之后压力上升。

从图3所处理的实验数据可以看到，激波从入射到反射聚焦的全部过程。由实验的压力信号可以观察到许多实验数据，包括入射激波速度，反射激波速度，锥面顶点最大压力，反射后产生的其他的波的演化等等。以本实验为例，入射激波速度为699.528m/s，反射激波速度为444.444m/s，锥面顶点最大压力为15.2078bar，反射后除反射激波在观察时间内没有其他明显的波产生。

如图5所示，实验记录下90°锥面反射面的实验结果，初始条件和图3一样，使用目标五区压力(即反射波后区域的压力)为5bar，五区温度1025K，驱动段0.2411bar甲烷混合气，被驱动段氮气和氦气的压力为2.08bar和5.69bar，实验结果入射激波速度705.069m/s，反射激波速度529.901m/s，锥顶点最大压力为20.9826bar。

如图6所示，60°锥形反射面实验结果被记录。初始条件如上，入射激波速度为689.989m/s，反射激波速度为616.74m/s，锥面顶点最大压力为29.4179bar。通过实验对比可以简要说明，对于激波聚焦在锥顶点产生的局部高压区的现象，相同强度的入射激波，60度锥面产生的锥面顶点最大压力大于90度锥面大于半球反射面。

对比光电倍增管信号的最大电压大小可以发现，相同入射激波条件下，60度锥面反射聚焦燃烧剧烈程度大于90度锥面大于半球形锥面。

图7是整理的各锥面在不同强度入射激波下的点火延迟时间。实验使用相同的五区压力5bar，横坐标是入射激波速度，纵坐标为点火延迟时间，是燃料点火的重要参数。实验结果可以发现半球形反射面适用激波强度范围较小，在比较低的入射激波速度下无法点燃。可以使60度和90度锥面产生激波聚焦点火的入射激波范围基本一致。在激波强度比较大的条件下(入射激波速度大于730m/s时)，60度锥面点火时间小于半球反射面小于90度反射面；在激波强度较小条件下(入射激波速度小于730m/s，大于600m/s时)，半球形反射面点火延迟时间小于90度锥面小于60度锥面；当激波强度很小时(入射激波速度小于600m/s，大于500m/s时)，半球反射面无法产生反射聚焦点火，90度锥面点火延迟小于60度锥面点火延迟。此结果对于激波聚焦诱导爆轰的爆轰发动机的设计具有指导意义。

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。凡是依据本发明申请的权利要求书和说明书内容所做的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽叙述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种激波聚焦点火以及相应点火特性测量装置，其特征在于，包括双膜激波管(1)、安装于所述双膜激波管(1)上的PCB压力传感器和光电倍增管(3)，以及与所述PCB压力传感器和光电倍增管(3)相连的数据采集系统；所述双膜激波管(1)包括依次连接的驱动段(11)、中间段(12)和被驱动段(13)，被驱动段(13)的一侧端面上设有端面组件(14)，所述端面组件(14)由端面法兰(141)和面向被驱动段(13)的内部的多种可拆卸反射面组成，可拆卸反射面均为收缩形反射面；所述驱动段(11)和中间段(12)设有第一PET膜，中间段(12)和被驱动段(13)设有第二PET膜。

2.根据权利要求1所述的激波聚焦点火以及相应点火特性测量装置，其特征在于，所述驱动段(11)的连接中间段(12)的一端、中间段(12)的两端与被驱动段(13)的连接中间段的一端安装有特制法兰，所述特制法兰上设有凹槽；驱动段(11)的连接中间段(12)的一端的凹槽与中间段(12)的一端的凹槽之间夹设有两个第一橡胶垫片，且两个第一橡胶垫片之间夹设有所述第一PET膜；被驱动段(13)的连接中间段的一端的凹槽与中间段(12)的另一端的凹槽之间夹设有两个第二橡胶垫片，且两个第二橡胶垫片之间夹设有所述第二PET膜。

3.根据权利要求1所述的激波聚焦点火以及相应点火特性测量装置，其特征在于，所述驱动段(11)的管壁上安装有与面板(20)连接的第一通道(151)，以及第一压力表(161)；所述中间段(12)在其管壁上设有与面板(20)连接的第二通道(152)、第二压力表(162)和电磁阀(17)；所述被驱动段(13)在其管壁上设有与面板(20)连接的第三通道(153)、第三压力表(163)；面板(20)上还连接有混合燃气进气口(21)、氮气进气口(22)、氦气进气口(23)与真空泵(24)，面板上设有驱动所述第一通道(151)、第二通道(152)、第三通道(153)、混合燃气进气口(21)、氮气进气口(22)、氦气进气口(23)与真空泵(24)启闭的开关。

4.根据权利要求1所述的激波聚焦点火以及相应点火特性测量装置，其特征在于，所述被驱动段(13)在其管壁下侧还装有多个壁面PCB压力传感器(P1、P2、P3)；在端面组件(14)的正中央设有一个端面PCB压力传感器(P4)，壁面PCB压力传感器(P1、P2、P3)和端面PCB压力传感器(P4)均通过恒流适配器连接所述数据采集系统。

5.根据权利要求4所述的激波聚焦点火以及相应点火特性测量装置，其特征在于，所述端面法兰(141)在其面向被驱动段(13)的一面上设有多个等距离地周向排布在端面法兰(141)的径向外侧的第一安装孔(1411)、设于第一安装孔(1411)的径向内侧的一个环形凹槽(1412)、等距离地周向排布在环形凹槽(1412)的径向内侧的第二安装孔(1413)以及设于端面法兰(141)的正中央的第三安装孔(1414)；所述端面法兰(141)通过第一安装孔(1411)和螺栓来与被驱动段(13)紧固连接；所述被驱动段(13)上设有与所述环形凹槽(1412)匹配的环形凸起，且环形凹槽(1412)和环形凸起之间夹设有材质为四氟乙烯的垫片；第二安装孔(1413)通过螺丝与可拆卸反射面的安装面连接；第三安装孔(1414)通过M20卡套端面与PCB压力传感器(P4)连接固定。

6.根据权利要求4所述的激波聚焦点火以及相应点火特性测量装置，其特征在于，所述可拆卸反射面均为收缩形反射面，所述可拆卸反射面的安装面的中心设有与端面PCB压力传感器(P4)对准的开口。

7.根据权利要求4所述的激波聚焦点火以及相应点火特性测量装置，其特征在于，所述被驱动段(13)在其管壁上侧安装有1个光电倍增管(3)，光电倍增管(3)与最靠近端面组件(14)的壁面PCB压力传感器在同一截面，光电倍增管(3)与所述数据采集系统相连。

8.一种激波聚焦点火以及相应点火特性测量方法，其特征在于，包括：

步骤S1：选择所需实验的反射面，搭建权利要求1-7之一所述的激波聚焦点火以及相应点火特性测量装置；其中，所述的激波聚焦点火以及相应点火特性测量装置的驱动段(11)的管壁上安装有与面板(20)连接的第一通道(151)，以及第一压力表(161)；中间段(12)在其管壁上设有与面板(20)连接的第二通道(152)、第二压力表(162)和电磁阀(17)；被驱动段(13)在其管壁上设有与面板(20)连接的第三通道(153)、第三压力表(163)；面板(20)上还连接有混合燃气进气口(21)、氮气进气口(22)、氦气进气口(23)与真空泵(24)，面板上设有驱动所述第一通道(151)、第二通道(152)、第三通道(153)、混合燃气进气口(21)、氮气进气口(22)、氦气进气口(23)与真空泵(24)启闭的开关；

步骤S2：将所述激波聚焦点火以及相应点火特性测量装置的面板(20)打开，通过真空泵将驱动段(11)、中间段(12)和被驱动段(13)的空气抽空；抽空后关闭中间段(12)和驱动段(11)的与面板(20)相连的通道，向被驱动段(13)内填充预混燃气；关闭被驱动段(13)的与面板(20)相连的通道，打开中间段(12)和驱动段(11)的与面板(20)相连的通道，填充氦气与氮气的混合气体；

步骤S3：关闭驱动段(11)、中间段(12)和被驱动段(13)的与面板(20)连接的通道(151、152、153)和压力表(161、162、163)的开关；按下与中间段(12)连接的电磁阀(17)，使得第一PET膜和第二PET膜依次破裂，以产生一个向反射面传播的激波。

9.根据权利要求1所述的激波聚焦点火以及相应点火特性测量方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述激波聚焦点火以及相应点火特性测量装置的第一PET膜和第二PET膜的厚度由被驱动实验气体的类型、实验的目标五区温度、目标五区压力、激波管初始温度和激波衰减系数来确定，以满足缝合条件；

在所述步骤S2中，中间段(12)的压强为驱动段(11)与被驱动段(13)的压强的均值；驱动段(11)的氦气与氮气的气体比例、被驱动段(13)和驱动段(11)的压强根据被驱动实验气体的类型、目标五区温度、目标五区压力、激波管初始温度和激波衰减系数来确定，以满足缝合条件。

10.根据权利要求1所述的激波聚焦点火以及相应点火特性测量方法，其特征在于，所述被驱动段(13)在其管壁下侧还装有多个壁面PCB压力传感器(P1、P2、P3)；在端面组件(14)的正中央设有一个端面PCB压力传感器(P4)，壁面PCB压力传感器(P1、P2、P3)和端面PCB压力传感器(P4)均通过恒流适配器连接所述数据采集系统；所述被驱动段(13)在其管壁上侧安装有1个光电倍增管(3)，光电倍增管(3)与最靠近端面组件(14)的壁面PCB压力传感器在同一截面，光电倍增管(3)与所述数据采集系统相连；

所述激波聚焦点火以及相应点火特性测量方法还包括：

步骤S4:利用压力传感器(P1、P2、P3、P4)记录经过激波聚焦后的压力信号，并且利用光电倍增管(3)尝试记录点火延迟时间；

步骤S5：利用数据采集系统收集压力传感器(P1、P2、P3、P4)和光电倍增管(3)采集到的信号，保存实验数据；

步骤S6：打开面板(20)，将实验残留气体排出。

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