一种基于交错射流的湍流强化火焰加速系统及方法
阅读说明：本技术 一种基于交错射流的湍流强化火焰加速系统及方法 (Turbulence-enhanced flame acceleration system and method based on staggered jet flow ) 是由 张博 程俊 刘洪� 于 2021-07-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于交错射流的湍流强化火焰加速系统,包括激波管、安装于激波管上的进出气系统、点火系统、数据采集系统和射流系统,以及与所述点火系统和射流系统均相连的信号触发系统；射流系统由依次连接的二氧化碳储罐、电磁阀、单向阀以及设于激波管上的射流接口组成,电磁阀、单向阀以及射流接口的数量是多个,且多个射流接口彼此交错地设置于激波管上。本发明还提供了相应的火焰加速方法。本发明的基于交错射流的湍流强化火焰加速系统可以有效地加速火焰传播,在特定工况下极大的缩短了DDT所需的距离和时间。(The invention provides a turbulence-enhanced flame acceleration system based on staggered jet flow, which comprises a shock tube, an air inlet and outlet system, an ignition system, a data acquisition system, a jet flow system and a signal trigger system, wherein the air inlet and outlet system, the ignition system, the data acquisition system and the jet flow system are arranged on the shock tube; the jet system comprises carbon dioxide storage tank, solenoid valve, check valve and the efflux interface of locating on the shock tube that connects gradually, and the quantity of solenoid valve, check valve and efflux interface is a plurality of, and a plurality of efflux interfaces set up on the shock tube in a staggered manner each other. The invention also provides a corresponding flame acceleration method. The turbulence-enhanced flame acceleration system based on the staggered jet flow can effectively accelerate flame propagation, and greatly shortens the distance and time required by DDT under a specific working condition.)
技术领域
本发明属于爆燃/爆轰应用技术领域，具体涉及一种基于交错射流的湍流强化火焰加速系统及方法。
背景技术
爆轰是一种以超音速传播的燃烧波。爆轰波在传播过程中释放出大量能量，可以为航天器的推进以及高超声速飞行器提供所需的动力。正是因为爆轰作为推进动力具有可观的发展潜力，近些年来，围绕爆轰所研发的动力装置模型机已成为研究热点。自然状态下的爆轰燃烧非常不易实现，其所需的点火能量和气体活性常规条件下都较难以获得，因此，通过爆燃转捩爆轰成为了切实可行的实施路径。但爆燃转捩爆轰这一现象需要火焰经过长久的距离来加速达到爆轰速度，在实际应用中无法直接使用，这样会增加装置自身的重量。因此，如何使得火焰快速加速发生转捩成为了亟待解决的问题。
现阶段，部分研究尝试向燃料中添加一定比例的活性气体，来提供直接爆轰所需的巨大能量，但这无疑也带来了一定的安全隐患。另一部分研究则利用增加燃烧室管壁粗糙度，或者在燃烧室中添加固体障碍物来实现对火焰的加速效果主要原理是通过增加燃烧室中的湍流效应，使得湍流在发展和耗散过程中，增加可燃气体的内能，从而使得诱导区可燃混气更易于燃烧，从而达到激励火焰形变和加速的目的。虽然这种处理方式缩短了爆燃转捩爆轰所需的时间和距离，但是由于固体障碍物的阻塞作用，会产生较大的推力损失，这无形中降低了推进效率。
近些年来，横向射流激励爆轰逐渐为学者们所知，相关的实验研究也越来越多，但其射流介质均大多为与燃烧相同的可燃混气，这在实际应用并不安全，在射流过程中极易发生局部小火灾，对飞行器的安全和人员安全都构成了威胁。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于交错射流的湍流强化火焰加速系统及方法，以达到灵活控制，有效地加速火焰传播，在特定工况下极大的缩短了DDT所需的距离和时间。
为了实现以上目的，本发明提供一种基于交错射流的湍流强化火焰加速系统，包括激波管、安装于激波管上的进出气系统、点火系统、数据采集系统和射流系统，以及与所述点火系统和射流系统均相连的信号触发系统；射流系统由依次连接的二氧化碳储罐、电磁阀、单向阀以及设于激波管上的射流接口组成，电磁阀、单向阀以及射流接口的数量是多个，且多个射流接口彼此交错地设置于激波管上。
所述点火系统包括安装在激波管一端的点火头和与点火头相连的脉冲点火器，点火系统通过点火头与激波管的一端相连。
所述信号触发系统包括信号触发器，信号触发器与脉冲点火器、射流系统的各个电磁阀均相连。
设于激波管上的射流接口的数量为2个，第一股的射流接口距离激波管的点火端10cm，第二股的射流接口距离激波管的点火端20cm。
所述进出气系统通过开设在激波管上的进出气接口与激波管相连；所述进出气系统包括甲烷瓶、氧气高压气瓶、混气罐和真空泵，所述甲烷瓶、氧气高压气瓶、混气罐和真空泵均通过各自对应的软管和阀门来与所述进出气接口连接。
所述数据采集系统包括等间距地安装于激波管的长度方向上的压力传感器和离子探针，压力传感器和离子探针一一对应、同截面安装。
所述数据采集系统还包括信号放大电路和数据采集硬件，所述压力传感器直接与数据采集硬件连接，所述离子探针通过信号放大电路连接数据采集硬件。
另一方面，本发明提供一种基于交错射流的湍流强化火焰加速方法，包括：
S1：提供根据一种基于交错射流的湍流强化火焰加速系统，其包括激波管、安装于激波管上的进出气系统、点火系统、数据采集系统和射流系统，以及与所述点火系统和射流系统均相连的信号触发系统；射流系统由依次连接的二氧化碳储罐、电磁阀、单向阀以及设于激波管上的射流接口组成，电磁阀、单向阀以及射流接口的数量是多个，且多个射流接口彼此交错地设置于激波管上；
S2：在保证激波管气密性良好的前提下，利用进出气系统将激波管抽至真空状态随后注入甲烷-氧气可燃混气或甲烷-空气可燃混气，使得激波管中处于压力范围在20～25kPa的状态；将信号触发系统和数据采集系统保持在待机状态；
S3：在信号触发系统中设定射流系统的各个电磁阀的开启时刻先于点火系统的点火时刻；
S4：根据所述步骤S3的设定触发信号触发系统，以开始激波管点爆实验。
在所述步骤S3中，所述电磁阀的开启时刻和点火系统的点火时刻二者之间的时间间隔控制在20～40ms，电磁阀的开启时长为100ms，点火系统的点火时长为1s。
所述步骤S3还包括：调节射流系统的二氧化碳储罐的出口压力，使得二氧化碳储罐的出口压力为激波管内的气压的20～70倍。
本发明的基于交错射流的湍流强化火焰加速系统及方法通过多股横向高速射流之间的相互作用，增加了爆轰管内的湍流效应，加速了火焰传播速度，进而缩短了DDT所需的距离，即对火焰传播产生激励以在短时间内实现火焰加速甚至爆轰，因此，能够达到较小的阻塞比，有效地缩短DDT距离和时间。
此外，本发明的火焰加速系统具体采用多股射流的控制系统来与点火系统相互配合，通过多个电磁阀同时抑或差时让多股二氧化碳高速射流进入激波管，从而实现多股高速射流的控制；并且采用基于惰性气体的横向射流模式，在确保了激励火焰形变和加速的效果的同时，也提高了系统的安全性和可靠性。本发明可以应用于快速激励爆燃转捩爆轰过程，在爆轰动力学，流体动力学以及爆轰物理学等领域有广泛应用前景和研究价值。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的基于湍流强化火焰加速系统的激波管实验系统结构示意图。
图2是如图1所示的基于交错射流的湍流强化火焰加速系统的射流分布方式示意图。
图3是根据本发明的一个实施例的基于交错射流的湍流强化火焰加速系统的电磁阀和脉冲点火器的工作时序示意图。
图4是本发明的基于交错射流的湍流强化火焰加速方法所影响下的甲烷-氧气火焰传播速度变化曲线。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。
如图1所示为根据本发明的一个实施例的基于交错射流的湍流强化火焰加速系统，其基于一激波管实验平台改进得到。因此，所述基于交错射流的湍流强化火焰加速系统包括激波管1、安装于激波管1上的进出气系统2、点火系统3、数据采集系统4和射流系统5，以及与所述点火系统3和射流系统5均相连的信号触发系统6。
所述点火系统3包括安装在激波管一端的点火头31和与点火头31相连的脉冲点火器32。点火系统3通过点火头31与激波管1的一端相连，点火头31由脉冲点火器32供电。
所述进出气系统2通过开设在激波管1上的进出气接口与激波管1相连。进出气接口可以设置在激波管1的长度方向的任意位置上，在本实施例中，进出气接口设置在激波管1的长度方向上远离点火系统3的一端。进出气系统2包括甲烷瓶21、氧气高压气瓶22、混气罐23和真空泵24，所述甲烷瓶21、氧气高压气瓶22、混气罐23和真空泵24均通过各自对应的软管和阀门25来与所述进出气接口连接。混气罐23的作用是用于混合来自甲烷瓶21的甲烷和来自氧气高压气瓶22的氧气。
所述数据采集系统4包括等间距地安装于激波管的长度方向上的压力传感器41(PCB 113B21系列)和离子探针42、信号放大电路43和数据采集硬件44，压力传感器41和离子探针42一一对应、同截面安装。压力传感器41用于获取压力信号，直接与数据采集硬件44连接；离子探针42用于获取火焰信号，其通过信号放大电路43连接数据采集硬件44。数据采集硬件44用于压力、火焰信号源的采集与滤波。
在本实施例中，数据采集系统4采用National Instrument公司的PXIe-1071，数据采集硬件44采用BNC-2110模块。
如图2所示，所述射流系统5由依次连接的二氧化碳储罐51、电磁阀52、单向阀(图未示)以及设于激波管1上的射流接口54组成，其通过射流接口54与激波管1相连。二氧化碳储罐51的数量为一个，而电磁阀52、单向阀以及射流接口54的数量是多个，且多个射流接口54彼此交错地设置于激波管1上，射流接口54的喷射射流的方向彼此平行。在本实施例中，电磁阀52、单向阀以及设于激波管1上的射流接口54的数量为2个，第一股射流接口54距离激波管1的点火端10cm，第二股的射流接口54距离激波管1的点火端20cm。点火端指的是激波管1的设有点火头31的一端。
单向阀连接于射流系统5的电磁阀52与激波管1之间，可以避免点火时气体经由射流接口54回流。射流系统5的电磁阀52为超高速电磁阀，其响应时间为3.5ms，射流系统5的电磁阀52的型号规格为FESTO MHE4-MS1H-3/2G-1/4-K。
信号触发系统6包括信号触发器61，信号触发器61与脉冲点火器32、射流系统5的各个电磁阀52均相连，由此，点火系统3的脉冲点火器32和射流系统5的各个电磁阀52均由信号触发器61控制。在本实施例中，信号触发器61为Arduino板且其上安装有信号触发控制程序。
基于上文所述的基于交错射流的湍流强化火焰加速系统，所实现的基于交错射流的湍流强化火焰加速方法具体包括以下步骤：
步骤S1：如图1所示，提供上文所述的基于交错射流的湍流强化火焰加速系统；
步骤S2：在保证激波管1气密性良好的前提下，利用进出气系统2将激波管1抽至真空状态随后注入甲烷-氧气可燃混气或甲烷-空气可燃混气，使得激波管1中处于低压状态，低压状态下压力范围在20～25kPa；将信号触发系统6和数据采集系统4保持在待机状态；
步骤S3：如图3所示，在信号触发系统6中设定射流系统5的各个电磁阀52的开启时刻先于点火系统3的点火时刻，从而使得射流触发先于点火触发；由此，先形成多股高速射流；再间隔一段时间，触发点火系统，以在所述激波管内形成高速传播的火焰波，甚至爆轰波。
其中，电磁阀52的开启时刻和点火系统3的点火时刻二者之间的时间间隔控制在20～40ms；设定射流工作时间(即电磁阀52的开启时长)为100ms，点火工作时间(即点火系统3的点火时长)为1s。
所述步骤S3还包括：调节射流系统5的二氧化碳储罐51的出口压力，使得二氧化碳储罐51的出口压力为激波管1内的气压(即甲烷-氧气可燃混气的压力)的20～70倍。
步骤S4：根据所述步骤S3的设定触发信号触发系统6，以开始激波管点爆实验。在激波管点爆实验中，采用数据采集系统4采集和储存数据.
如图4所示为根据离子探针捕获的火焰信号所计算得出的火焰传播速度曲线。如图4所示，在不含本发明所提到的基于交错射流的湍流强化火焰加速系统时，火焰传播速度较慢，最高仅为500m/s，而引入本发明的基于交错射流的湍流强化火焰加速系统时，火焰传播速度高达2250m/s，火焰传播速度获得了明显提高。
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。
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