基于側(cè)向膨脹的爆震波傳播特性及派生控制

基于側(cè)向膨脹的爆震波傳播特性及派生控制

爆炸波的傳播速度與jm-soil-c理論無關(guān)，只與預(yù)混合天然氣的力學(xué)參數(shù)有關(guān)。然而，許多實(shí)驗(yàn)證明，邊界條件對(duì)爆炸波的傳播特性有很大影響。一般來說，受邊界條件影響的爆炸波的傳播速度低于jd理論預(yù)測(cè)的速度，即速度流失，從而影響爆炸聲的極限。paildd等人使用不同直徑的管道研究了邊界直徑。在計(jì)算速度損失時(shí)，fay提出了流量擴(kuò)張理論?？紤]到負(fù)邊界層的位移厚度和預(yù)測(cè)波與j的距離，詳細(xì)研究了圓形管中爆炸波的傳播特性，tsuge進(jìn)行了理論分析，并結(jié)果表明，速度損失與管道直徑成了平方比。ashii等人認(rèn)為，速度損失是由前導(dǎo)激波后的邊界層發(fā)展引起的。此外,爆震波的傳播特性還與管道構(gòu)型及壁面的限制性程度有很大的關(guān)聯(lián).Radulescu等發(fā)現(xiàn)不規(guī)則胞格結(jié)構(gòu)的預(yù)混氣速度虧損與流道的寬高比有很大關(guān)聯(lián),而規(guī)則胞格結(jié)構(gòu)的預(yù)混氣速度虧損受流道寬高比的影響較小.爆震波在限制性作用很弱的壁面?zhèn)鞑?將受到側(cè)向膨脹的影響,利用隔膜將上側(cè)預(yù)混氣和下側(cè)惰性氣體隔開,形成側(cè)向膨脹段,爆震波進(jìn)入側(cè)向膨脹段后,高溫高壓的爆震產(chǎn)物將隔膜瞬間打破,并在下側(cè)惰性氣體區(qū)域形成激波角和界面角,如圖1所示.Dabora通過在一側(cè)壁面安裝薄膜來模擬氣體可壓縮壁面,系統(tǒng)研究了側(cè)向膨脹對(duì)爆震波傳播特性的影響.Murray和Lee等分別在1個(gè),2個(gè)或3個(gè)壁面布置不同厚度、不同材料的薄膜,研究了側(cè)向膨脹引發(fā)的氣流擴(kuò)散程度.此外,旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)(RDE)中也存在側(cè)向膨脹現(xiàn)象.劉世杰等研究發(fā)現(xiàn)側(cè)向膨脹對(duì)于旋轉(zhuǎn)爆震波的傳播特性影響很大.本文主要研究受側(cè)向膨脹影響時(shí)爆震波的自持機(jī)理,重點(diǎn)分析了狹窄流道中不同氣體活性及不同流道構(gòu)型對(duì)于爆震波速度虧損的影響.爆震波速度虧損主要運(yùn)用Fay的負(fù)邊界層位移厚度的概念,Dabora和Murray的速度虧損理論及ZND模型進(jìn)行計(jì)算,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,從而預(yù)測(cè)受側(cè)向膨脹影響時(shí)爆震波的傳播極限.1設(shè)備和數(shù)值方法1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試儀器如圖2所示.1.1.1區(qū)域劃分.爆震管由4個(gè)部分組成:起爆段(Ⅰ)、過渡段(Ⅱ)、穩(wěn)定段(Ⅲ)和實(shí)驗(yàn)段(Ⅳ).起爆段是內(nèi)徑為32mm,長(zhǎng)為3m的圓截面管道,預(yù)混氣在此段經(jīng)火花塞點(diǎn)火起爆.過渡段一端內(nèi)截面尺寸為40mm×40mm,另一端內(nèi)截面尺寸為30mm×10mm,長(zhǎng)度為200mm.穩(wěn)定段內(nèi)截面尺寸為30mm×10mm,長(zhǎng)度為1.5m.實(shí)驗(yàn)段用隔板密封隔開,形成上側(cè)預(yù)混氣區(qū)域和下側(cè)惰性氣體區(qū)域,如圖3所示.1.1.2爆震波測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試主要在穩(wěn)定段和實(shí)驗(yàn)段中進(jìn)行,內(nèi)容包括爆震波速度、煙膜圖和陰影圖.實(shí)驗(yàn)通過由nationalinstruments(NI)高頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和高頻壓力傳感器(PCB)組成的高頻壓力采集系統(tǒng)進(jìn)行爆震波速度測(cè)量.高頻數(shù)據(jù)采集卡為PXIe-6368,單通道采樣頻率為2MHz,共16路同步模擬輸入.PCB沿流向依次布置在a,b,c,d和e處,其中Lab=505mm,Lbc=30mm,Lcd=60mm和Lde=30mm,如圖2所示.采用PhotronFastcamSA-5.1高速彩色數(shù)字?jǐn)z影儀拍攝受側(cè)向膨脹影響的爆震波陰影圖,拍攝頻率為50000幀/s.通過在側(cè)壁熏制煙膜,觀察爆震波胞格結(jié)構(gòu)的變化.1.1.3氣體可壓縮實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)采用H2,O2,N2配比預(yù)混氣在爆震管中形成穩(wěn)定爆震波,同時(shí)下側(cè)惰性氣體區(qū)域采用N2作為惰性氣體,并用聚乙烯薄膜與上側(cè)預(yù)混氣區(qū)域密封隔開,形成氣體可壓縮壁面.采用4個(gè)質(zhì)量流量控制器(MFC)配比預(yù)混氣和惰性氣體,MFC控制精度達(dá)到1%,響應(yīng)時(shí)間小于0.8s.在充預(yù)混氣前須將密封實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)的空氣抽出,本實(shí)驗(yàn)真空度能夠達(dá)到99%,能夠有效保證預(yù)混氣的填充精度.1.2剛性問題的有限元分析本文控制方程采用二維Euler反應(yīng)流控制方程,忽略黏性項(xiàng)作用,流動(dòng)和化學(xué)反應(yīng)部分采取解耦處理方法來解決方程的剛性問題.空間離散采用5階的WENO(weightedessentiallynon-oscillatory)格式,時(shí)間步采用具有TVD(totalvariationdiminishing)保持性質(zhì)的2階時(shí)間精度Runge-Kutta方法,化學(xué)反應(yīng)采用Jachimowski8組分19反應(yīng)機(jī)理.2在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析中2.1爆震波的激發(fā)特性受側(cè)向膨脹影響的爆震波流場(chǎng)結(jié)構(gòu)如圖4所示,其中Q/Q0表示相對(duì)于流場(chǎng)初始狀態(tài)的無量綱密度.(1)是預(yù)混區(qū),(2)是爆震波,(3)是爆震波后的燃燒產(chǎn)物,(4)是將預(yù)混氣與惰性氣體隔開的薄膜,(5)是惰性氣體,(6)是斜激波,(7)是惰性氣體與爆震波后的燃燒產(chǎn)物分界面.爆震波從穩(wěn)定段進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段,由于下側(cè)無固壁約束,爆震波后的爆震產(chǎn)物將發(fā)生側(cè)向膨脹,爆震波后的高溫高壓產(chǎn)物將把中間密封薄膜瞬間打破,從而形成激波角和界面角.受側(cè)向膨脹影響的爆震波傳播速度將下降,橫波間距離增大,爆震波波面形狀發(fā)生變形.2.2側(cè)向膨脹對(duì)爆震波傳播的影響在實(shí)驗(yàn)段高度h=3cm,初始溫度為300K,初始?jí)毫?01kPa時(shí),進(jìn)行了當(dāng)量比φ為0.70,0.80,1.00,1.75,2.00和2.25這6組工況實(shí)驗(yàn),其中預(yù)混氣H2,O2,N2的配比為(2×φ)∶1∶3.76.當(dāng)φ為0.80,1.00和1.75時(shí),爆震波能夠自持傳播而未熄爆;而當(dāng)φ為0.70和2.25時(shí),爆震波在氣體可壓縮壁面上傳播一段距離后出現(xiàn)解耦現(xiàn)象,不能夠自持傳播,如圖5所示.由圖5可知,受側(cè)向膨脹影響時(shí),爆震波的傳播極限與φ有關(guān).當(dāng)爆震波傳至側(cè)向膨脹段時(shí),流場(chǎng)上側(cè)可燃預(yù)混氣的存在有利于維持爆震波穩(wěn)定自持傳播.流場(chǎng)下側(cè)的惰性氣體不參與反應(yīng),并形成氣體可壓縮壁面,對(duì)爆震波傳播具有一定的限制性作用,但流場(chǎng)下側(cè)受到膨脹波和流體擴(kuò)張的影響,速度將會(huì)虧損,同時(shí)波面發(fā)生變形.可以發(fā)現(xiàn)φ為0.80和1.75時(shí),爆震波雖然能夠自持傳播,但是波面形狀相對(duì)于φ為1.00的工況變形較大.φ為0.70和2.25時(shí),爆震波不能夠自持傳播,傳播一段距離后,發(fā)生解耦而熄爆.當(dāng)φ為2.00時(shí),可以發(fā)現(xiàn)爆震波的上側(cè)尚未解耦,而下側(cè)已經(jīng)開始解耦,可見側(cè)向膨脹是由下至上逐漸影響爆震波的傳播特性.此外,對(duì)φ進(jìn)一步分析,可以發(fā)現(xiàn)受側(cè)向膨脹影響的爆震波對(duì)于貧燃的影響更為敏感,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在φ為0.80時(shí)爆震波能夠自持傳播,但在φ為0.70時(shí)爆震波發(fā)生解耦而熄爆.在富燃情況下,φ存在一個(gè)相對(duì)較寬的傳播范圍,在φ為2.25時(shí)爆震波才發(fā)生解耦.同時(shí),運(yùn)用PCB測(cè)得爆震波傳播速度及速度虧損如表1所示,其中ab段速度可視為爆震波的穩(wěn)定速度,V∞=Vab,速度虧損可定義為fCJ_∞表示穩(wěn)定段相對(duì)于CJ的速度虧損,f∞_bc,f∞_cd和f∞_de分別表示bc段、cd段和de段速度相對(duì)于穩(wěn)定段的速度虧損,δ表示界面角,θ表示激波角.由表1可知,隨著當(dāng)量比φ的提高,爆震波CJ理論速度也相應(yīng)增大,同時(shí)發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定段ab的速度要略低于CJ速度,其速度虧損fCJ_∞為4.0%~5.3%,考慮到穩(wěn)定段內(nèi)截面尺寸為30mm×10mm,可以認(rèn)為爆震波在狹窄管道中傳播.狹窄管道中爆震波速度虧損與管道尺寸成反比關(guān)系,即ΔV∝h-0.8,并根據(jù)Ishii經(jīng)驗(yàn)公式可計(jì)算得φ為0.70~2.00時(shí),內(nèi)截面尺寸為30mm×10mm的狹窄管道中爆震波速度虧損為2.9%~5.5%,同時(shí)考慮到壁面表面粗糙度和測(cè)量誤差等因素,可見穩(wěn)定段爆震波速度虧損與理論估算的速度虧損值吻合較好.由表1可知,穩(wěn)定爆震波在剛進(jìn)入側(cè)向膨脹段后,受側(cè)向膨脹影響爆震波速度將發(fā)生虧損,如f∞_bc所示.隨著爆震波的傳播,速度虧損值f∞_cd增大,此時(shí)爆震波處于失穩(wěn)階段.受側(cè)向膨脹影響的爆震波在經(jīng)歷失穩(wěn)階段之后,將面臨兩種結(jié)果:一種是速度虧損f∞_de繼續(xù)增大,爆震波解耦而熄爆,即φ為0.70和2.25;另一種是速度虧損f∞_de減小,爆震波內(nèi)部發(fā)生重新起爆,爆震波穩(wěn)定自持傳播,即φ為0.80,1.00和1.75.可以發(fā)現(xiàn)在φ為2.00時(shí)爆震波在bc和cd段速度虧損相對(duì)于φ為1.75和2.25都較大,而在de段速度虧損減小,且發(fā)現(xiàn)下側(cè)爆震波已經(jīng)開始解耦,并且逐漸影響至爆震波上側(cè),由于PCB布置在實(shí)驗(yàn)段上側(cè),所以測(cè)得的上側(cè)爆震波速度虧損較小,由圖5可以發(fā)現(xiàn)下側(cè)爆震波反應(yīng)區(qū)厚度急劇增長(zhǎng),爆震波解耦,上側(cè)爆震波也將受到側(cè)向膨脹影響而逐漸解耦熄爆,爆震波將不能夠自持傳播,可見φ=2.00是爆震波熄爆的臨界工況.同時(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)得界面角δ在18°~23°范圍內(nèi),界面角值相對(duì)比較穩(wěn)定,自持傳播爆震波的界面角低于不能自持傳播爆震波的界面角,且自持傳播爆震波的界面角δ在18°~21°范圍內(nèi),考慮到實(shí)驗(yàn)誤差,可以認(rèn)為當(dāng)量比φ對(duì)自持傳播爆震波的界面角δ影響很小.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)激波角θ在27°~44°范圍內(nèi),當(dāng)量比φ從0.70到0.80時(shí),激波角θ由29.4°急劇增加到44.1°,而當(dāng)量比從1.75增加到2.00時(shí),激波角θ由27.8°緩慢增加到32.7°,可見不能夠自持傳播的爆震波激波角對(duì)貧燃的敏感性更高.而對(duì)于自持傳播的爆震波激波角θ在27°~30°范圍內(nèi),相對(duì)穩(wěn)定,可見當(dāng)量比φ對(duì)自持傳播爆震波的激波角影響很小.由此可見,爆震波CJ速度隨著當(dāng)量比φ的增加而增加,爆震波在受側(cè)向膨脹影響后速度將發(fā)生虧損,且將經(jīng)歷一個(gè)失穩(wěn)階段,隨后爆震波是否能夠在氣體可壓縮壁面上自持傳播取決于爆震波在經(jīng)歷失穩(wěn)階段后能否重新起爆,即速度虧損能否降低.貧燃,即當(dāng)量比φ較低時(shí),對(duì)爆震波是否能夠自持傳播的影響更為強(qiáng)烈.實(shí)驗(yàn)表明:當(dāng)量比φ對(duì)穩(wěn)定自持傳播爆震波的界面角δ和激波角θ影響很小.2.3爆震波傳播特性分析受側(cè)向膨脹影響的爆震波傳播極限不僅與預(yù)混氣活性有關(guān),也與實(shí)驗(yàn)段預(yù)混氣高度有關(guān),如圖6所示,此時(shí)實(shí)驗(yàn)段高度為2cm,初始溫度為300K,初始?jí)毫?01kPa,預(yù)混氣配比H2∶O2∶N2=2∶1∶3.76,即φ=1.00.與圖5中φ為1.00的工況進(jìn)行對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn)初始溫度、初始?jí)毫虷2/O2/N2配比都相同,而不同的就是波前預(yù)混氣的高度,其中圖5中h=3cm,而圖6中h=2cm.通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)h=3cm時(shí)爆震波能夠自持傳播,而h=2cm時(shí)爆震波解耦熄爆.受側(cè)向膨脹影響的爆震波在傳播過程中受到其底部膨脹波衰減的影響,速度將發(fā)生虧損,下側(cè)的波陣面明顯落后于上側(cè)的波陣面,且爆震波波面發(fā)生彎曲.可見,波前預(yù)混氣的高度h可以增強(qiáng)其抵御側(cè)向膨脹影響的能力,h=3cm時(shí)其抵御側(cè)向膨脹衰減的能力要比h=2cm時(shí)強(qiáng),因此在上述工況下h=3cm時(shí)爆震波能夠自持傳播,而h=2cm時(shí)爆震波傳播一段距離后前導(dǎo)激波與燃燒鋒面解耦而不能夠自持傳播.在實(shí)驗(yàn)段高度為2cm,初始溫度為300K和初始?jí)毫?01kPa不變情況下,減少N2的稀釋比例,即H2∶O2∶N2=2∶1∶3,這也就提高了預(yù)混氣的活性,發(fā)現(xiàn)爆震波能夠自持傳播,如圖7所示.而在保持預(yù)混氣H2∶O2∶N2=2∶1∶3不變,將實(shí)驗(yàn)段高度改為1cm時(shí),發(fā)現(xiàn)爆震波傳播一段距離后解耦而熄爆.進(jìn)一步對(duì)此工況下不同高度的爆震波傳播特性進(jìn)行數(shù)值仿真,如圖8所示.由密度云圖可以發(fā)現(xiàn)h=2cm時(shí)爆震波能夠穩(wěn)定自持傳播,而h=1cm時(shí)爆震波傳播一段距離后在140mm處就已經(jīng)解耦,形成激波與燃燒鋒面,傳播速度迅速降低,此時(shí)爆震波不能夠自持傳播,再次證明增加波前預(yù)混氣高度h有利于受側(cè)向膨脹影響的爆震波自持傳播.由此可見:爆震波受側(cè)向膨脹影響時(shí),提高預(yù)混氣高度有利于爆震波自持傳播,提高波前預(yù)混氣高度有利于爆震波自持傳播.3da能力模型及實(shí)驗(yàn)分析根據(jù)Fay的理論,反應(yīng)區(qū)流體擴(kuò)張,負(fù)邊界層位移厚度增加,因而降低了爆震波傳播速度.如圖9所示,將參考坐標(biāo)系固定在激波面上,預(yù)混氣和壁面都將以激波速度V流動(dòng),由于邊界層附近較高的流動(dòng)速度,流線將向邊界層方向偏離.因此,主流區(qū)域流動(dòng)將變形,流線的偏轉(zhuǎn)將形成一個(gè)彎曲的爆震波面,彎曲的曲率正比于遠(yuǎn)離前導(dǎo)激波面的CJ面面積增加率.負(fù)邊界層位移厚度增加導(dǎo)致的速度虧損與在限制性作用較小的氣體可壓縮壁面中由側(cè)向膨脹引起速度虧損機(jī)制是相同的.Dabora將受側(cè)向膨脹影響的爆震波分為前導(dǎo)激波面和CJ面,如圖1所示.CJ面由于受到側(cè)向膨脹的影響,面積會(huì)增大,從而影響爆震波的傳播速度.根據(jù)Dabora速度虧損公式可得界面角δ、激波角θ和速度虧損的求解公式如下:其中為中間變量,γe2表示波后爆震產(chǎn)物比熱比,γe1表示波前預(yù)混氣比熱比,γi1表示波前惰性氣體比熱比,pi1和pe1為分別為波前惰性氣體和預(yù)混氣壓力,Mae1為預(yù)混氣馬赫數(shù),ΔMa1為馬赫數(shù)虧損量,pCJ表示CJ面壓力,詳細(xì)推導(dǎo)過程此處不再贅述.Murray則通過求解狹窄管道中面積擴(kuò)張比ξ,代入式(4)可以求得速度虧損值,其面積擴(kuò)張比ξ的表達(dá)式為其中δ*表示邊界層位移厚度,W表示管道寬度,H表示管道高度.邊界層的位移厚度已經(jīng)被Gooderum的激波管實(shí)驗(yàn)確定.其中μe表示波前預(yù)混氣的氣體黏度,ρe和ue分別表示波前預(yù)混氣密度和速度.本文根據(jù)ZND模型對(duì)Dabora理論公式中的中間變量ε和,CJ面壓力pCJ、反應(yīng)區(qū)長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算,得到激波角θ和界面角δ與當(dāng)量比φ關(guān)系(圖10),并對(duì)Murray理論公式中邊界層位移厚度δ*和面積擴(kuò)張比ξ進(jìn)行速度虧損計(jì)算,可得Dabora速度虧損值、Murray速度虧損值和實(shí)驗(yàn)速度虧損值與當(dāng)量比φ的關(guān)系,見圖11.由圖10可知,Dabora理論預(yù)測(cè)的激波角θ和界面角δ隨當(dāng)量比φ變化很小,且隨著當(dāng)量比φ的增加,激波角θ和界面角δ呈減小趨勢(shì).受側(cè)向膨脹影響的爆震波能夠自持傳播時(shí),即φ為0.75~2.00,實(shí)驗(yàn)測(cè)得的激波角和界面角在Dabora理論預(yù)測(cè)值附近波動(dòng),整體略微偏高,特別在φ為1.00附近吻合得很好.但爆震波不能夠自持傳播時(shí),激波角和界面角增大,特別在當(dāng)量比較小時(shí)激波角和界面角增大趨勢(shì)更為劇烈.圖11表示Dabora和Murray理論預(yù)測(cè)的速度虧損值以及實(shí)驗(yàn)值與當(dāng)量比φ的關(guān)系,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)量比φ在0.75~2.00時(shí)受側(cè)向膨脹影響的爆震波能夠自持傳播,而在此當(dāng)量比之外,爆震波傳播一段距離后很快解耦而不能夠自持傳播.依據(jù)Dabora和Murray理論,并結(jié)合ZND模型預(yù)測(cè)的速度虧損與當(dāng)量比的關(guān)系都是呈現(xiàn)U型曲線,且Dabora值整體比Murray值大.由圖11可知,Dabora和Murray理論預(yù)測(cè)的速度虧損都對(duì)低當(dāng)量比的變化極為敏感.通過大量實(shí)驗(yàn)測(cè)得在初始溫度為300K、初始?jí)毫?.0×105Pa和實(shí)驗(yàn)段高度為3cm時(shí)不同當(dāng)量比情況下速度虧損值,發(fā)現(xiàn)受側(cè)向膨脹影響時(shí)自持傳播爆震波的實(shí)驗(yàn)速度虧損值與Dabora理論預(yù)測(cè)的速度虧損值較為吻合,這也證明Dabora理論的適用性.然而實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的爆震波自持傳播的當(dāng)量比范圍并沒有Dabora理論預(yù)測(cè)的當(dāng)量比范圍寬,可見極限附近的邊界條件對(duì)爆震波傳播特性的影響很大,影響機(jī)理也特別復(fù)雜.由圖11可知,受側(cè)向膨脹影響時(shí)爆震波能夠自持傳播的速度虧損極限為7.0%~11.0%,在速度虧損超過此極限時(shí)爆震波將解耦熄爆,不能夠自持傳播.4爆震波自傳播通