CN114739681A - 一种联合产生高压燃烧室声波和压力震荡的实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃烧实验技术，旨在提供一种联合产生高压燃烧室声波和压力震荡的实验方法。包括：在高压燃烧室的样品台上放置含能燃料，封闭腔体；对高压燃烧室进行气体置换后继续充气；启动声波发射器后，根据压力变送器的监测数值，调整声波频率和声强；接通直流电源，使电热丝通电发热并点燃含能燃料，含能燃料在声场和压力震荡联合作用的密闭环境下持续燃烧；通过燃烧室侧边的观察窗，持续进行观察或利用仪器检测燃烧状况。本发明能方便调节声波发生频率和声压强，可以更加全面准确地模拟各种不同压力震荡频率的不稳定燃烧工况。采用声波激励响应的方法能较好解决多场并存的难题，更加真实模拟实际火箭发动机燃烧室内复杂的不稳定燃烧工况。

Description

一种联合产生高压燃烧室声波和压力震荡的实验方法

技术领域

本发明涉及燃烧实验技术，旨在提供一种联合产生高压燃烧室声波和压力震荡的实验方法。

背景技术

火箭发动机是多种飞行器的动力源，发动机的性能直接影响到飞行器的航速、航程和飞行的可靠性。燃烧室是火箭发动机的核心部件和关键技术，是发动机最重要的组成部分，是燃料点火燃烧并产生高温燃气的主要场所，对火箭发动机能量的充分释放及发动机比冲的提高都有直接的影响。由于发动机燃烧室处于高温高压的极端环境下，使其燃烧过程十分复杂，涉及燃料相变、高速流动、高强湍流和高温燃烧化学反应等多物理、多尺度过程多场耦合(热场、声场、流场)，发动机在实际应用中燃烧室的不稳定燃烧现象就是这种复杂燃烧过程的集中体现。这种不稳定燃烧是指发动机燃烧室中燃烧的周期性振荡现象，伴随有燃气压力、温度和速度的振荡，通常以压力的周期性振荡来表征。燃烧不稳定性会导致发动机振动加剧和热负荷增加，从而使发动机部件遭到破坏和烧蚀。因此，研究火箭发动机燃烧不稳定现象的产生机理和控制策略一直是广大科研工作者努力的方向，也是火箭发动机研制中的技术关键。

一般火箭发动机燃烧不稳定性按其与燃烧室内声场的关系分为声学燃烧不稳定性和非声学燃烧不稳定性。声学燃烧不稳定性又可根据燃烧与声场的相互作用分为压力耦合和速度耦合声学燃烧不稳定性两类。如前所述，由于实际发动机燃烧室处于极高的温度和压力环境下，直接在发动机上进行燃烧不稳定性实验研究几无可能，因此，在实验室小型装置上进行燃料的燃烧特性实验室是目前主要的研究手段，其中如何模拟高压燃烧室内的压力震荡甚至多场耦合的环境是研究燃烧不稳定现象的关键。现在针对燃烧过程中压力震荡激励的方法主要有旋转阀、T型燃烧器法、压缩气流(利用压缩机)等。旋转阀是利用1-2个阀门周期性开关，使进入实验空间的气体流动情况及流量出现震荡现象，由此造成空间压力震荡，该方法由于阀门的开关频率受限，使压力震荡的频率不高，此外，容易造成空间气流的波动，会影响燃烧状况；T型燃烧器法则是声腔与推进剂组成自激振荡系统，试验样品置于燃烧室两端，同时点燃两端推进剂使得推进剂燃烧表面处于相同的声环境中，但该方法在低频振动的实验测量中适应性较差，燃烧器几何尺寸对其造成较大的影响；压缩气流是利用活塞式压缩机来回周期运动的工作特点，使进入实验空间的气流流动情况及流量出现震荡现象，由此造成空间压力震荡，但该方法会造成实验空间气流大幅度流动而无法分辨影响燃烧是气流波动还是压力震荡，且大规模气流流动对燃烧也会存在较大影响。

以上现有技术要么存在较大幅度的气流波动影响燃烧，要么压力震荡的频率不高或频率不可调，难以模拟实际火箭发动机燃烧室中不稳定的燃烧工况，因此，迫切需要一种比较全面正确响应燃烧室不稳定燃烧的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种联合产生高压燃烧室声波和压力震荡的实验方法。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种联合产生高压燃烧室声波和压力震荡的实验方法，该方法是基于联合产生高压燃烧室声波和压力震荡的实验装置而实现的；

该装置包括由耐压腔壁围合而成的高压燃烧室，其内部空腔中设有用于燃烧样品的样品台，与样品台相对的侧壁上设有观察窗；在高压燃烧室的至少一侧设有与其内部空腔连通的号角安装室，号角安装室中装有一个声波号角，其喇叭口的中心朝向样品台，样品燃烧位置位于声波号角的对称轴上；声波号角的尾部开口端与设于腔室外部的声波发射器相接，声波发射器依次与功率放大器、信号发生器相连；

所述联合产生高压燃烧室声波和压力震荡的实验方法，包括以下步骤：

(1)在高压燃烧室的样品台上放置含能燃料，封闭高压燃烧室的腔体；

(2)利用钢瓶中的高压气源，按常规方式操作压力阀门、排气阀门和进气阀门，对高压燃烧室进行气体置换；换气结束后关闭排气阀门，继续充气使燃烧室的压力提升至0.1MPa-20MPa，然后关闭进气阀门；

(3)启动信号发生器、功率放大器和声波发射器，根据压力变送器的监测数值，调整声波频率和声强，确保达到实验需要的声场和压力震荡幅值；

(4)接通直流电源，使电热丝通电发热并点燃含能燃料，含能燃料在声场和压力震荡联合作用的密闭环境下持续燃烧；通过燃烧室侧边的观察窗，持续进行观察或利用仪器检测燃烧状况。

作为本发明的优选方案，所述号角安装室至少有两个，各声波号角的对称轴垂直相交于样品台的样品燃烧位置。

作为本发明的优选方案，所述号角安装室呈圆筒状，其末端中心设置通孔，所述声波号角的尾部开口端穿过设于通孔处的密封装置并与声波发射器相接。

作为本发明的优选方案，所述声波发射器具有圆柱形凸出部，该凸出部嵌套安装在声波号角的尾部开口端中。

作为本发明的优选方案，所述声波发射器上设有分频保护器。

作为本发明的优选方案，所述观察窗由设于侧壁上的方孔、耐压石英玻璃和密封压盖组成，观察窗中心与样品台的样品燃烧位置保持基本相同的水平。

作为本发明的优选方案，所述样品台呈圆柱形，其底端固定在高压燃烧室的内壁上，顶端设有用于放置含能燃料的钨片；在样品台的同侧内壁上设有通孔，通孔中设连接电线，处于点火位置的电热丝通过连接电线与外部的直流电源相接。

作为本发明的优选方案，所述高压燃烧室的侧壁上设有进气抽气孔和排气孔；进气抽气孔与三通管相接，三通管的一端连接进气阀门和钢瓶，另一端连接抽气阀门和真空泵；排气孔与排气阀门相接。

作为本发明的优选方案，所述高压燃烧室的侧壁上设有压力检测孔，通过压力阀门与压力变送器相连。

发明原理描述：

由于火箭发动机燃烧室处于高温高压环境，而且燃烧过程存在多种物理化学反应，并受到高速湍流、压力震荡、声波脉动等多场耦合影响，在实验室完全模拟发动机燃烧过程是不可能的。本发明通过声波发生装置向高压燃烧室发射不同频率的声波，利用声波激励响应压力波动，达到模拟火箭发动机燃烧室不稳定燃烧的目的，使燃烧室含能燃料处于声场和压力震荡的环境下进行燃烧实验。

本发明首先利用高压气源对燃烧室进行充气、换气和增压，可根据不同的燃烧气氛要求，利用不同气体的高压钢瓶进行配气达到不同燃烧气氛的要求。同时，结合排气阀门调控燃烧室内的气氛和压力，当充气、换气5分钟后，高压燃烧室的气氛更换完成，继续充气最终达到燃烧室实验压力的要求；或者利用真空泵对燃烧室进行抽真空1分钟，实现负压环境下的实验要求。其次，开启声波发生装置，调整声波的频率和声强达到实验需要的设定值，待发射声波的操作参数稳定后，观察压力变送器记录及输出的数据判断高压燃烧室内的压力震荡是否正常并满足实验要求。最后，进行燃料点火燃烧实验，开启用于点火的直流电源，位于含能燃料上表面的电热丝通电后瞬间发热升温并点燃燃料，点火成功后含能燃料将保持在声场和压力震荡联合作用的环境下持续燃烧，燃烧期间通过燃烧室侧边的光学视窗进行观察或利用仪器检测燃烧状况。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)由于声波发生频率和声压强的调节十分方便，这样在高压燃烧室内产生的声波响应特性明确，造成的压力震荡频率和振幅的调节也十分灵敏方便，可以更加全面准确地模拟各种不同压力震荡频率的不稳定燃烧工况。

(2)由于火箭发动机燃烧室内燃烧过程极端复杂，存在多种物理场和化学反应，既有压力震荡又有声波影响，而同时在实验室模拟多种影响因素并存的手段十分匮乏。采用声波激励响应的方法能较好解决多场并存的难题，更加真实模拟实际火箭发动机燃烧室内复杂的不稳定燃烧工况。

(3)由于现有的燃烧室不稳定燃烧模拟方法大多会造成环境气流的波动，实际上就是通过气体流动状态的周期性变化引起压力的震荡，这样气流的波动也会对燃烧状况造成较大的影响，从而无法分辨是由于气流波动还是压力震荡引起燃烧状况的改变。采用声波激励响应能较好解决这个问题，基本上能保证气流稳定的情况下形成周期性的压力震荡，使得模拟研究发动机燃烧室不稳定燃烧更加接近真实情况。

(4)由于采用密封的压力腔作为燃烧室，同时利用高压气源增压，可以比较方便地实现不同压力(包括负压)、不同气氛环境下的燃烧模拟实验，并可以很方便调节压力大小和改变环境气氛。

附图说明

图1为实施例1中实验装置结构示意图；

图2为实施例2中实验装置结构示意图；

图3为实施例3中实验装置结构示意图；

图4为图1和图3的A—A剖视图；

图5为图2的B—B剖视图；

图6为图1、图2、图3的C—C剖视图；

图7为图1、图2、图3的D—D剖视图；

图8为声波激励频率为100Hz，燃烧室温度为20℃，空气环境下燃烧室内实测压力振荡曲线(燃烧室内压力0.6MPa)；

图9为有无声波激励，燃烧室温度为20℃，空气环境下燃烧室内在无声波、50Hz 频率和100Hz频率声波下实测1微米铝燃烧火焰(燃烧室内压力1.0MPa)。图9中图 (a)声波频率0(无声波)、图(b)声波频率50Hz、图(c)声波频率100Hz。

图10为普通火焰在有无声波情况下的火焰形貌。图10中图(a)为无声波时的火焰，图(b)为有声波时的火焰。

附图中的标记：高压燃烧室1、声波号角2、声波发生器3、功率放大器4、信号发生器5、分频保护器6、筒体7、密封装置8、含能燃料9、钨片10、样品台11、电热丝 12、连接电线13、直流电源14、密封环15、方孔16、耐压石英玻璃17、密封压盖18、三通管19、进气阀门20、钢瓶21、抽气阀门22、真空泵23、排气阀门24、压力阀门 25、压力变送器26。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行详细描述。

本发明中，联合产生高压燃烧室声波和压力震荡的实验装置包括高压燃烧室1，其内部空腔中设有用于燃烧样品的样品台11，与样品台11相对的侧壁上设有观察窗；观察窗由设于侧壁上的方孔16、耐压石英玻璃17和密封压盖18组成，观察窗中心与样品台11的样品燃烧位置保持基本相同的水平。

样品台11呈圆柱形，其底端固定在高压燃烧室1的内壁上，顶端设有用于放置含能燃料的钨片10；在样品台11的同侧内壁上设有通孔，通孔中设连接电线13，处于点火位置的电热丝12通过连接电线13与外部的直流电源14相接。通孔的外缘设密封环 15。

高压燃烧室1的侧壁上设有进气抽气孔和排气孔；进气抽气孔与三通管19相接，三通管19的一端连接进气阀门20和钢瓶21，另一端连接抽气阀门22和真空泵23；排气孔与排气阀门24相接。高压燃烧室1的侧壁上设有压力检测孔，通过压力阀门25与压力变送器26相连。

如图1中所示，在高压燃烧室1的一侧设有与其内部空腔连通的号角安装室，号角安装室中装有一个声波号角2，其喇叭口的中心朝向样品台11，样品燃烧位置位于声波号角2的对称轴上；作为一种可选方案，号角安装室有两个(如图3所示)，各声波号角2的对称轴垂直相交于样品台的样品燃烧位置。

声波号角2的尾部开口端与设于腔室外部的声波发射器3相接，声波发射器3依次与功率放大器4、信号发生器5相连。声波发射器3上设有分频保护器6。号角安装室呈圆筒状，其末端中心设置通孔，声波号角2的尾部开口端穿过设于通孔处的密封装置 8并与声波发射器3相接。声波发射器3具有圆柱形凸出部，该凸出部嵌套安装在声波号角2的尾部开口端中。声波号角2、声波发射器3、功率放大器4、信号发生器5共同组成了声波发生装置。

声波发生器3的作用是产生一定频率的正弦波；功率放大器4是提高声波的功率，以此改变声压级；信号发生器5是通过音膜振动产生需要的声波，分频保护器6的作用是保护声波发生器3因功率过大可能出现的烧毁。声波号角2能够改善声波的指向性，减少声波衰减。密封装置8为普通槽型密封装置，用于保证气密性。声波号角2采用耐温的不锈钢材料，声波发生器3可选JD60-B型产品，功率放大器可选4GA-1型产品，信号发生器5可选多芯压缩型产品，分频保护器6可选多芯高音型产品。

声波发生装置可放置在燃烧室一侧(如图1示左侧)，发出的声波传播方向为横向，即与燃烧火焰相垂直；也可放置在燃烧室上部(如图2示上部)，发出的声波传播方向为纵向，即与燃烧火焰相对冲。实验时既可采用其中一套声波发生装置，也可两套声波发生装置同时使用，以研究声波横向传播和纵向传播单独作用和联合作用对燃烧的影响效果。

在高压燃烧室1内部，含能燃料9放置在耐高温的钨片10上，钨片再放置在圆柱形样品台11上，样品台11与燃烧室底面相连并固定。在燃烧室内压力、气氛以及声波、压力震荡都达到设定值后，采用含能燃料上表面的镍铬合金材质的电热丝12点燃燃料并持续燃烧，使其处于声场和压力震荡环境下燃烧，以此模拟发动机不稳定燃烧工况。电热丝12通过铜质的连接电线13与燃烧室外部的MS-2D型可调直流电源14相连，由直流电源14控制电热丝12点火过程。连接电线13穿过燃烧室的通孔处布置有槽型的密封环15，以保证气密性。观察窗用于观察或检测燃烧室内含能燃料不稳定燃烧情况，方孔16、耐压石英玻璃17和密封压盖18均为正方形结构，密封压盖18中间也有与方孔16尺寸一样的开孔结构。

在高压燃烧室1的另一侧(如图4所示后侧)布置进气及抽气孔、排气孔和压力检测孔。进气及抽气孔通过三通19后，一路与不锈钢球形进气阀门20和25MPa高压气体钢瓶21相连，用于向燃烧室输入不同气体，并提升和控制室内压力至实验设定值；另一路与不锈钢球形抽气阀门22和RXZ-B型旋片式真空泵23相连，用于对燃烧室抽真空保持室内负压环境。排气孔通过不锈钢球形排气阀门24向外排气，并调节燃烧室内压力和气氛以达到实验设定值。压力检测孔通过不锈钢球形压力阀门25与DaCY420 型压力变送器26相连，用于检测燃烧室内部不稳定燃烧时的压力值和压力震荡的频率及振幅数据。

高压燃烧室1的工作压力为0.01MPa-20MPa。含能燃料可选金属粉体燃料(如铝、硼、镁、锂等)、固体推进剂(如丁羟推进剂等)、液体推进剂(如煤油RP-1等)。

本发明中，所使用的阀门都是常规不锈钢球阀。燃烧室本体结构、样品台、放置声波号角的圆形筒体、筒体上的密封装置、光学视窗密封压盖等都采用不锈钢材料。

基于上述实验装置，联合产生高压燃烧室声波和压力震荡的实验方法包括以下步骤：

(1)在高压燃烧室1的样品台11上放置含能燃料，封闭高压燃烧室的腔体；

(2)利用钢瓶中的高压气源，按常规方式操作压力阀门、排气阀门和进气阀门，对高压燃烧室进行气体置换；在抽真空阶段，关闭进气阀门20和排气阀门24，打开抽气阀门22，利用真空泵23对燃烧室进行抽真空，使燃烧室压力降至0.01MPa-0.1MPa。换气结束后关闭排气阀门，继续充气使燃烧室的压力提升至0.1MPa-20MPa，然后关闭进气阀门。

(3)启动信号发生器5、功率放大器4和声波发射器3，根据压力变送器26的监测数值，调整声波频率和声强，确保达到实验需要的声场和压力震荡幅值；

(4)接通直流电源14，使电热丝12通电发热并点燃含能燃料，含能燃料在声场和压力震荡联合作用的密闭环境下持续燃烧；通过燃烧室侧边的观察窗，持续进行观察或利用仪器检测燃烧状况。

实施例一

实验时，首先，高压燃烧室放置金属粉体燃料铝粉；然后，打开压力阀门25、排气阀门24和进气阀门20，向燃烧室1输入实验需要的气体进行换气，5分钟后换气结束，关闭排气阀门24，继续充气使燃烧室压力提升至20MPa后关闭进气阀门20；接着，启动高压燃烧室左侧的声波发生装置，并调整声波频率和声强，根据压力变送器26确定是否达到实验需要的声场和压力震荡幅值；最后，打开直流电源14，使电热丝12通电发热点燃铝粉，并使铝粉保持在声场和压力震荡联合作用的环境下持续燃烧。

与铝粉类似的材料，还有镁、锂、硼以及相互混合物，由于都属于金属粉体燃料(硼虽然是非金属，但在本领域也归类为金属燃料)，其燃烧性能相似，化学反应机理相同，故不再具体描述其实施例内容。

实施例二

实验时，首先，高压燃烧室放置丁羟固体推进剂；然后，打开压力阀门25、排气阀门24和进气阀门20，向燃烧室1输入实验需要的气体进行换气，5分钟后换气结束，依次关闭进气阀门20和排气阀门24，使燃烧室压力保持在0.1MPa；接着，启动高压燃烧室上部的声波发生装置，并调整声波频率和声强，根据压力变送器26确定是否达到实验需要的声场和压力震荡幅值；最后，打开直流电源14，使电热丝12通电发热点燃丁羟固体推进剂，并使固体推进剂保持在声场和压力震荡联合作用的环境下持续燃烧。

实施例三

实验时，首先，高压燃烧室放置液态推进剂煤油RP-1液滴；然后，关闭进气阀门 20和排气阀门24，打开抽气阀门22，利用真空泵23对燃烧室1进行抽真空，1分钟后抽真空结束，关闭抽气阀门22，使燃烧室压力保持在0.01MPa；接着，启动高压燃烧室左侧和上部的声波发生装置，并调整声波频率和声强，根据压力变送器26确定是否达到实验需要的声场和压力震荡幅值；最后，打开直流电源14，使电热丝12通电发热点燃煤油RP-1液滴，并使液滴保持在声场(垂直和对冲联合)和压力震荡联合作用的环境下持续燃烧。

图8为高压燃烧室左侧连接声波发生装置时，在声波激励频率为100Hz，燃烧室温度为20℃，燃烧室内压力0.6MPa，空气环境下，燃烧室内实测的压力振荡曲线。由图可见，由于声波的激励响应，在燃烧室内形成了周期性的压力震荡现象。

图9为高压燃烧室左侧连接声波发生装置时，在声波激励频率为0Hz(即没有开启声波发生装置)、50Hz、100Hz，燃烧室温度为20℃，燃烧室内压力1.0MPa，空气环境下，燃烧室内放置5微米的铝粉时实测的燃烧火焰形貌对比图。由图可见，在存在声场和压力震荡的环境下，铝粉燃烧火焰形貌有明显差别，相对而言，在没有声波时，燃烧火焰形貌比较规整稳定，有声波和压力震环境下，燃烧火焰形貌显得比较散乱，稳定性有下降的趋势。

图10为普通火焰在有无声波情况下的火焰形貌，由其中图(b)可见，有声波存在时燃烧火焰明显不够稳定，有点漂移不定。该实验主要是为了验证声场存在确实对燃烧是有影响的。

尽管本申请已经展示描述了本发明专利的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形，本发明专利的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种联合产生高压燃烧室声波和压力震荡的实验方法，其特征在于，该方法是基于联合产生高压燃烧室声波和压力震荡的实验装置而实现的；

该装置包括由耐压腔壁围合而成的高压燃烧室，其内部空腔中设有用于燃烧样品的样品台，与样品台相对的侧壁上设有观察窗；在高压燃烧室的至少一侧设有与其内部空腔连通的号角安装室，号角安装室中装有一个声波号角，其喇叭口的中心朝向样品台，样品燃烧位置位于声波号角的对称轴上；声波号角的尾部开口端与设于腔室外部的声波发射器相接，声波发射器依次与功率放大器、信号发生器相连；

所述联合产生高压燃烧室声波和压力震荡的实验方法，包括以下步骤：

(1)在高压燃烧室的样品台上放置含能燃料，封闭高压燃烧室的腔体；

(2)利用钢瓶中的高压气源，按常规方式操作压力阀门、排气阀门和进气阀门，对高压燃烧室进行气体置换；换气结束后关闭排气阀门，继续充气使燃烧室的压力提升至0.1MPa-20MPa，然后关闭进气阀门；

(3)启动信号发生器、功率放大器和声波发射器，根据压力变送器的监测数值，调整声波频率和声强，确保达到实验需要的声场和压力震荡幅值；

(4)接通直流电源，使电热丝通电发热并点燃含能燃料，含能燃料在声场和压力震荡联合作用的密闭环境下持续燃烧；通过燃烧室侧边的观察窗，持续进行观察或利用仪器检测燃烧状况。

2.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于，所述号角安装室至少有两个，各声波号角的对称轴垂直相交于样品台的样品燃烧位置。

3.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于，所述号角安装室呈圆筒状，其末端中心设置通孔，所述声波号角的尾部开口端穿过设于通孔处的密封装置并与声波发射器相接。

4.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于，所述声波发射器具有圆柱形凸出部，该凸出部嵌套安装在声波号角的尾部开口端中。

5.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于，所述声波发射器上设有分频保护器。

6.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于，所述观察窗由设于侧壁上的方孔、耐压石英玻璃和密封压盖组成，观察窗中心与样品台的样品燃烧位置保持基本相同的水平。

7.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于，所述样品台呈圆柱形，其底端固定在高压燃烧室的内壁上，顶端设有用于放置含能燃料的钨片；在样品台的同侧内壁上设有通孔，通孔中设连接电线，处于点火位置的电热丝通过连接电线与外部的直流电源相接。

8.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于，所述高压燃烧室的侧壁上设有进气抽气孔和排气孔；进气抽气孔与三通管相接，三通管的一端连接进气阀门和钢瓶，另一端连接抽气阀门和真空泵；排气孔与排气阀门相接。

9.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于，所述高压燃烧室的侧壁上设有压力检测孔，通过压力阀门与压力变送器相连。

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