脉冲爆震发动机高温压力测量方法_潘慕绚
煤油气动阀式脉冲爆震发动机爆震波压力特性试验
煤油气动阀式脉冲爆震发动机爆震波压力特性试验摘要：本文研究了由煤油气动阀式脉冲爆震发动机引起的爆震波压力特性。
我们采用数值模拟方法分析了多种不同形式的煤油气动阀式脉冲爆震发动机的压力特性，其中包括压力曲线、波形时间及压力与能量之间的关系。
结果表明，受脉冲时间和发动机尺寸的影响，爆震波压力不同程度地受到影响。
最后，实验结果与数值模拟结果相一致。
关键词：煤油气动阀式脉冲爆震发动机；爆震波压力特性；压力曲线；波形时间；数值模拟正文：本文探讨了煤油气动阀式脉冲爆震发动机引发的爆震波压力特性。
首先，通过数值模拟分析了煤油气动阀式脉冲爆震发动机的压力特性，包括压力曲线、波形时间及压力与能量之间的关系。
其次，我们分析了爆震波压力随脉冲时间和发动机尺寸的变化而受到的不同程度的影响。
结果表明，当发动机尺寸减小时，爆震波压力随着脉冲时间而增加。
最后，为了检验我们的数值模拟结果，进行了实验验证，实验结果表明，我们的数值模拟结果与实际情况高度一致。
煤油气动阀式脉冲爆震发动机所产生的爆震波压力特性具有重要的应用前景，可以用于各种工业和军事应用。
首先，由于该发动机可以产生大量的能量，因此可以用于发动机驱动设备，例如航空发动机、喷气发动机、汽车发动机等。
在军事应用方面，这种发动机可用于军用装备，例如防御武器系统，可以利用其可调节的爆震波压力而不会损害设备的功能。
此外，爆震波压力还可以用于石油开采，因为它可以产生更大的压力，有效地分散油藏中的岩石和地层，从而实现更多有效的开发。
在医学方面，爆震波压力也可以用于非侵入性的体外检测，例如分析血液或其他组织样本，以检测潜在的疾病。
总而言之，应用煤油气动阀式脉冲爆震发动机产生的爆震波压力特性，可以大大提高工作效率，在工业、军事以及医学等领域都有广泛的应用前景。
对于使用煤油气动阀式脉冲爆震发动机产生爆震波压力特性的应用而言，制作这种发动机以及操作它也是至关重要的。
使用这种发动机时，应采用精确的测试和分析技术，以确保发动机尺寸和内部动力性能都符合预期要求。
多循环吸气式脉冲爆震发动机推力直接测量
第 27 卷
第 5期
[ 10]
多循环吸气式脉冲爆震发动机推力直接测量
461
441 5 %
) 。试验系统如图 4所示。
PDE 工作周期 ) 时刻, 压电晶 体片受力相同, 由此可 以认为发动机在工作过程中 , 在 t 与 T + t 时刻 , 其位 移 , 速度及加速度是相等的 , 所以有
T+ t
t
*
要 : 为了论证直接测量方法在间 歇工作 的脉冲 爆震发 动机系 统推力 测量中的 可行性 , 试验采 用动态 压电
式力传感器 , 对内径为 180mm, 长 2000mm 的吸气式多循 环 PDE 原型 机的推 力进行 直接测 量 , 并获得 推力特 征曲 线。 PDE 工作频率分别为 10H z 和 20H z时 , 对应的平均推力分别为 605N 和 840N。试验发现系统在一个周期内惯性 力积分为零 , 证明了用直接测量 方法测量 PDE 平均推力的可靠性。 关键词 : 脉冲爆震发动机 + ; 推力 ; 直接测量 中图分类号 : V 2351 22 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 -4055 ( 2006) 05-0459-05
[ 9]
脉冲爆震发动机 ( Pu lse D etonation Eng ine , 简称 PDE ) 是利用间歇式爆震波产生的高温高压燃气来产 生推力的新概念发动机。其燃烧过程为非定常过程。 整个过程是间歇式的、 周期性的 , 因而产生的推力是 脉动的 , PDE 产生推力的方式 和工作特点决定了 其 测量推力的方法与一般的涡喷发动机的测量方法不 [ 1] 同。 PDE 的推力试验 研究相对较少 , 主要侧重 于 [ 2~ 4] 理论分析研究 , 间接测量推力可以通过安装在推 力壁的 传 感 器 采 集 到 的 单 循 环 压 力数 据 计 算 得 到 , 但 所得数据往往 大于 PDE 的实 际有效推力。 [6 , 7] Coop M, W in tenberger E 等研究了单循环 PDE 工 作过程的直接推力测量方法, 利用钟摆原理成功地直 接测量了单循环爆震的推力。 Purdue 大学采用系统
两相脉冲爆震火箭发动机性能实验
两相脉冲爆震火箭发动机性能实验李建玲;范玮;熊姹;王育虔;李强【期刊名称】《实验流体力学》【年(卷),期】2011(025)001【摘要】为了获得脉冲爆震火箭发动机(PDRE)的性能参数,采用液态煤油为燃料、氧气为氧化剂、压缩氮气为隔离气体,进行了一系列多循环爆震实验.使用孔板流量计测量煤油流量,使用集气法测量氧气流量,使用动态压电式压力传感器测量r爆震室轴向的沿程压力,使用火焰温度及水蒸气浓度红外光谱测量仪测量爆震管出口平面的尾焰温度,使用动态压电式推力传感器测量PDRE所产生的瞬时推力.实验获得PDRE不同频率下的平均推力和比冲.实验结果表明:爆震压力和温度随着工作频率的变化而有所变化,填充系数对于PDRE比冲大小有着显著影响.采用爆震室部分填充的策略,可以显著地提高发动机比冲.【总页数】6页(P17-22)【作者】李建玲;范玮;熊姹;王育虔;李强【作者单位】西北工业大学动力与能源学院,西安,710072;西北工业大学动力与能源学院,西安,710072;西北工业大学动力与能源学院,西安,710072;西北工业大学动力与能源学院,西安,710072;西北工业大学动力与能源学院,西安,710072【正文语种】中文【中图分类】V231.22【相关文献】1.不同内径两相脉冲爆震模型机爆震波速的试验研究 [J], 王治武;严传俊;李牧;黄希桥2.脉冲爆震火箭发动机和小推力液体火箭发动机的性能对比分析 [J], 穆杨;范玮;严宇;严传俊3.当量比对脉冲爆震火箭发动机爆震特性影响的实验研究 [J], 丁永强;范玮;李强;万兴;严传俊4.电磁阀式两相脉冲爆震火箭发动机试验 [J], 王育虔;范玮;严传俊;李强;李建玲5.煤油氧气脉冲爆震火箭发动机爆震特性 [J], 李强;范玮;严传俊;胡承启;李建玲因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
发动机爆震检测方法、装置、设备及存储介质与流程
发动机爆震检测方法、装置、设备及存储介质与流程发动机爆震是指发动机燃烧室内火焰膨胀速度过快，压力急剧升高，引起燃烧时的爆炸声音。
如果不能及时发现和解决，可能会导致发动机从正常工作状态转变为不稳定或甚至熄火，给行车和安全带来隐患。
因此，对于新车型的研发，发动机爆震测试是一项非常重要的工作。
1. 发动机爆震检测方法发动机爆震检测主要有两种方法：基于声音信号的检测和基于振动信号的检测。
基于声音信号的检测需要通过高灵敏度的麦克风实时采集发动机的运行声音，并通过特定的算法分析声波信号，得出发动机爆震的时序和幅值，从而判断发动机是否存在爆震问题。
基于振动信号的检测方法则需要通过加速度传感器实时采集发动机的振动信号，并利用信号处理算法提取振动信号的特征参数，如振动幅值、频谱特征和波形变化等，从而对发动机的爆震情况做出评估和判断。
2. 发动机爆震检测装置为了实现发动机爆震检测，常常需要配备专门的检测装置。
该装置包括声音采集仪、振动加速度传感器、信号调理器、数据采集系统和计算机等设备。
声音采集仪是用来采集发动机的声音信号，一般需要使用高灵敏度的麦克风来实现。
振动加速度传感器则是用来采集发动机的振动信号。
不同于传统加速度传感器，振动加速度传感器对于高频信号具有更高的响应性，可以更有效地监测由于爆震而引起的振动信号。
信号调理器和数据采集系统是用来对声音和振动信号进行处理和收集的设备。
信号调理器可以对信号进行滤波、微调和放大等处理。
数据采集系统可以将处理后的信号以数字化的形式传输到计算机中。
计算机则是用来控制上述所有设备，对采集的信号进行处理和分析，得出发动机爆震的时序、幅值和频率等信息，并将这些信息存储在存储介质中，以便后续分析和研究。
3. 发动机爆震检测设备存储介质发动机爆震的检测结果需要存储在特定的介质中，以便后续分析和对比。
目前，常用的存储介质主要有以下两种：(1) 数据采集卡或者USB数据采集器，该介质主要用来存储从声音和振动传感器采集到的原始数据。
脉冲爆震发动机压力测试与分析
扰 能力 ， 在 此 恶 劣 的 测 试 环 境 下 正 常 工 作 ； 能
Ｐ ＤＥ单 个循 环 的持 续 时间 小 于 ７ ， 作时 间极 ｍｓ 工 短， 这要 求测 试 系统 有极 高 的可 靠 性及 时 间 响应
度（ 大于 ２ ０ ８ ０Ｋ）及 燃 烧 速 度 （ 震 波 马 赫数 大 爆
ａ ｑｕｒｎｇ ｓ ｓ ｅ ｉ ｅ ｉｂ ｅ ｅ ｉｉ ｙ ｔ ｍ ｓｒ ｌａ ｌ ． Ｋ ｅ ｗｏｒ ｓ： ｌｅ ｄｅ ｏｎ ｔｏ ｅ ｙ ｄ ｐｕ ｓ ｔ ａ ｉ ｎ ｎｇｉｅ；ｍ ｕｌｉｈｒ ａ ｎ ｔｔ ｅ ｄ；ｄａ ａ ａ ｑｕ ｒｎｇ ｔ ｃ ｉｉ
存 储 全部信 息 。因此 ， 冲爆震 发 动 机性 能 参数 脉
测试 技术 成 为脉 冲爆 震 发 动 机 研 制 过 程 中 的难
题 。Ｐ ＤＥ工 作 过 程 中 要 采 用 高 频 、 压 点 火 系 高
统 ， 产 生很 强 的 电磁 场 干 扰 ， 伴 随 有 强 噪 声 会 并
脉冲爆震发动机中温度和组分浓度测量技术的发展
脉冲爆震发动机中温度和组分浓度测量技术的发展熊姹;严传俊;邱华【摘要】脉冲爆震发动机内部工作条件极其恶劣,测量爆震波温度和某组分浓度十分困难.本文回顾了近几年国内外在爆震温度场测量方面的技术发展,特别是应用激光诊断技术测量爆震波的温度和某些组分浓度.总结了国内外应用光学诊断技术测得的爆震波火焰温度,结果发现:对气体燃料/氧气而言,在化学恰当比下一般其爆震波温度大约为3 900 K,与CJ理论值非常接近;然而对液态燃料JP-10而言,当氧化剂为氧气时,爆震波温度为2 500 K;当氧化剂为空气时,爆震波温度仅仅约为1 500 K.【期刊名称】《航空工程进展》【年(卷),期】2010(001)003【总页数】6页(P262-267)【关键词】脉冲爆震发动机;温度;激光诊断【作者】熊姹;严传俊;邱华【作者单位】西北工业大学,动力与能源学院,西安,710072;西北工业大学,动力与能源学院,西安,710072;西北工业大学,动力与能源学院,西安,710072【正文语种】中文【中图分类】V2310 引言爆震流场的火焰温度、组分浓度、速度、密度、质量流量、压力等关键参数对研究脉冲爆震发动机工作十分重要,这些参数能够加深对燃烧过程的认识,为改进发动机的设计、提高发动机的工作效率并且减少污染排放等工作提供数据基础。
一般对脉冲爆震发动机的诊断局限于压力和推力测量,而实时的测量温度和组分浓度能更加准确的描述PDE的工作过程,验证计算结果,得出了无论是针对单循环试验还是更加复杂的多循环过程,都可以用此来确定发动机工作是否失效的阈值[1]。
此外,在PDE 的计算中对化学反应机理的处理方法为平衡化学法和有限速率化学法,但采用这两种计算方法得到的直管PDE总性能(比冲、头部压力等)以及次要性能(温度、组分浓度等)都会有差别,而且这种差别会在加入热损失等与温度相关的损失机理之后变得更大。
在增加增推装置(如喷管)或者考虑热传递损失之后,其次要性能的差别就变得非常重要了。
一种脉冲爆震发动机试车台推力测试动态标定方法和装置[发明专利]
专利名称：一种脉冲爆震发动机试车台推力测试动态标定方法和装置
专利类型：发明专利
发明人：范玮,王云,黄成金,宋亚恒,何建男
申请号：CN201810616999.0
申请日：20180615
公开号：CN109060239A
公开日：
20181221
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供了一种脉冲爆震发动机试车台推力测试动态标定方法和装置。
采用激振器给测试系统施加一个与脉冲爆震发动机推力波形接近的梯形脉冲力，采用阻抗头输出对测试系统输出进行标定。
当测试系统的固有频率一定时，以不同脉冲频率来驱动激振器，获得不同频率下的测试系统输出，利用传递函数和自相关函数方法获得相应频率下的幅值比和相位差，拟合绘制成幅值比和相位差曲线。
本发明弥补了脉冲爆震发动机推力测试系统在动态校准方面的不足，在一定的测试系统固有频率和脉冲爆震发动机工作频率下获得的系统输出，根据幅值比和相位差曲线即可进行修正，可获得高精度的测试结果。
申请人：西北工业大学
地址：710072 陕西省西安市碑林区友谊西路127号
国籍：CN
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一种高温脉冲压力校准装置
专利名称：一种高温脉冲压力校准装置
专利类型：发明专利
发明人：史博,李峰,李天然,王辰辰,蔡菁,冯玮申请号：CN202111209754.4
申请日：20211018
公开号：CN113970404A
公开日：
20220125
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开的一种高温脉冲压力校准装置，属于试验技术领域。
本发明包括加速度传感器、锤体、活塞杆、套筒、隔热层、液压缸、液压油、加热装置，校准对象为被校压力传感器。
本发明通过锤体自由下落冲击液压活塞系统，活塞受到冲击在密闭高温液压缸中压缩液体并反弹形成一个类似半脉冲的压力脉冲，被校压力传感器安装在液压缸上，锤体上端安装加速度传感器，通过测量锤体的加速度，以及活塞的截面积，得到液压缸内脉冲压力的大小。
为了保证密封性，活塞与液压缸内壁应选用同一种材质，保证在相同的温度变化下，其材料的变形量一致。
本发明具有溯源链清晰、校准精度高、操作方便简单、无污染、不损毁传感器、高耐用性、高可靠性、高安全性的优点。
申请人：中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所
地址：100095 北京市海淀区温泉镇环山村
国籍：CN
代理机构：北京正阳理工知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：邬晓楠
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脉冲爆震发动机高温压力测量方法_潘慕绚
2009年6月第30卷 第3期推 进 技 术J OURNAL OF PRO PUL SI ON TECHNOLOGYJun 12009V ol 130 No 13脉冲爆震发动机高温压力测量方法*潘慕绚,黄金泉,郭 伟,张彭岗(南京航空航天大学能源与动力学院,江苏南京210016)摘 要:为寻找一种适合于脉冲爆震发动机高温环境下的压力测量方法,在基于离子电流的PDE 高温压力传感器机理研究的基础上,推导获得离子电流衰减速度与爆震波压力峰值的关系。
设计了一种新型的单短探针型离子传感器,开展了单爆震试验获得了大量实验数据,采用最小二乘算法对试验数据拟合,获得了两者关系的具体表达式。
研究结果表明,通过离子电流衰减速度计算获得的压力峰值与标定压力传感器测量值基本一致,误差在3%以内。
关键词:脉冲爆震发动机;离子电流;高温压力测量;离子探针中图分类号:V 23317 文献标识码:A 文章编号:1001-4055(2009)03-0355-05* 收稿日期:2008-07-09;修订日期:2008-10-30。
基金项目:航空基金资助项目(2006ZD 52041)。
作者简介:潘慕绚(1977)),女,博士生,讲师,研究领域为脉冲爆震发动机测控技术。
E -m a i:l pan_m uxuan @163.co mPressure m easure m e ntm ethod under hi gh te mperature for pulse detonation engi nePAN M u-xuan ,HUANG Jin -quan ,GUO W e,i Z HANG Peng -gang(Co l.l of Energy and P o w er ,N anji ng U n i v .of A eronautics and A stronautics ,N anji ng 210016,Chi na)Abstrac t :In order to deve l op a ne w pressure -m eas u re m ent m e t hod adapti ve to the high te m perature environment i npu lse de tonation eng i ne(PDE ),the re lati onship bet ween i on current decay ra te and the press ure peak of detonati on w av e is der i ved based on the theo re tica l analysis .A new type o f short i on probe w ith si ng l e po l e i s des i gned .T he least -squa re algo -rith m i s emp l oyed to fit the data obta i ned i n si ng le -detonation exper i m ents .The m athem atica lmode l of relationsh i p bet ween i on current decay ra te and the pressure peak o f de tonation wave is obta i ned .T he satisfactory results de m onstrate tha t calcu lati ons usi ng t he i on curren t decay rate w ere consi stent w ith m easure m ents of the pressure senso rs ,and its re l a tive error is less than 3%.K ey word s : Pulse detona ti on eng i ne ;Ion current ;H i gh -temperature -pressure m easure m ent ;Ion probe1 引 言脉冲爆震发动机(PDE )爆震管内的压力是反映其工作状态,控制其协调工作的重要物理量。
脉冲爆震发动机尾焰温度测量与数值模拟
脉冲爆震发动机尾焰温度测量与数值模拟
熊姹;严传俊;王治武;刘金溯
【期刊名称】《工程热物理学报》
【年(卷),期】2008(29)2
【摘要】本文采用新型研制的脉冲温度和水蒸气浓度测量仪测量了吸气式脉冲爆震发动机多循环工作过程中的尾焰温度,结果表明该测量仪不仅能够很好地捕捉每一个脉冲温度,与热成像仪测量的结果比较证明其测量温度在误差范围内.并采用了三阶TVD迎风格式和Strang-splitting算子分裂法,C_3H_8/ai r单步反应机理对混合物爆震燃烧进行了二维数值计算.与测量结果对比,说明采用本文的计算方法能够很好地捕捉到爆震波的点火和传播过程.
【总页数】4页(P335-338)
【关键词】脉冲爆震发动机;尾焰温度;二维数值模拟
【作者】熊姹;严传俊;王治武;刘金溯
【作者单位】西北工业大学动力与能源学院
【正文语种】中文
【中图分类】V235.22
【相关文献】
1.带二次流增推尾喷管的脉冲爆震发动机数值模拟研究 [J], 邱华;龚婷婷;熊姹;郑龙席
2.吸气式无阀脉冲爆震发动机DDT过程数值模拟 [J], 郑龙席;卢杰;彭畅新;王治武
3.脉冲爆震涡轮发动机气动阀特性数值模拟研究 [J], 李晓丰;郑龙席;邱华
4.小能量点火脉冲爆震发动机DDT过程数值模拟 [J], 王玮;范玮;严传俊;董素艳
5.基于TDLAS的脉冲爆震火箭发动机尾焰参数测量 [J], 陈帆;陶波;黄斌;王可;张勇健;范玮
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2009年6月第30卷 第3期推 进 技 术J OURNAL OF PRO PUL SI ON TECHNOLOGYJun 12009V ol 130 No 13脉冲爆震发动机高温压力测量方法*潘慕绚,黄金泉,郭 伟,张彭岗(南京航空航天大学能源与动力学院,江苏南京210016)摘 要:为寻找一种适合于脉冲爆震发动机高温环境下的压力测量方法,在基于离子电流的PDE 高温压力传感器机理研究的基础上,推导获得离子电流衰减速度与爆震波压力峰值的关系。
设计了一种新型的单短探针型离子传感器,开展了单爆震试验获得了大量实验数据,采用最小二乘算法对试验数据拟合,获得了两者关系的具体表达式。
研究结果表明,通过离子电流衰减速度计算获得的压力峰值与标定压力传感器测量值基本一致,误差在3%以内。
关键词:脉冲爆震发动机;离子电流;高温压力测量;离子探针中图分类号:V 23317 文献标识码:A 文章编号:1001-4055(2009)03-0355-05* 收稿日期:2008-07-09;修订日期:2008-10-30。
基金项目:航空基金资助项目(2006ZD 52041)。
作者简介:潘慕绚(1977)),女,博士生,讲师,研究领域为脉冲爆震发动机测控技术。
E -m a i:l pan_m uxuan @163.co mPressure m easure m e ntm ethod under hi gh te mperature for pulse detonation engi nePAN M u-xuan ,HUANG Jin -quan ,GUO W e,i Z HANG Peng -gang(Co l.l of Energy and P o w er ,N anji ng U n i v .of A eronautics and A stronautics ,N anji ng 210016,Chi na)Abstrac t :In order to deve l op a ne w pressure -m eas u re m ent m e t hod adapti ve to the high te m perature environment i npu lse de tonation eng i ne(PDE ),the re lati onship bet ween i on current decay ra te and the press ure peak of detonati on w av e is der i ved based on the theo re tica l analysis .A new type o f short i on probe w ith si ng l e po l e i s des i gned .T he least -squa re algo -rith m i s emp l oyed to fit the data obta i ned i n si ng le -detonation exper i m ents .The m athem atica lmode l of relationsh i p bet ween i on current decay ra te and the pressure peak o f de tonation wave is obta i ned .T he satisfactory results de m onstrate tha t calcu lati ons usi ng t he i on curren t decay rate w ere consi stent w ith m easure m ents of the pressure senso rs ,and its re l a tive error is less than 3%.K ey word s : Pulse detona ti on eng i ne ;Ion current ;H i gh -temperature -pressure m easure m ent ;Ion probe1 引 言脉冲爆震发动机(PDE )爆震管内的压力是反映其工作状态,控制其协调工作的重要物理量。
由于PDE 的非稳态、间歇的高频工作方式,使得爆震管内是一个高温、高冲击的环境,传统的高频响压电式压力传感器理论上可以实现PDE 高频工作时的压力测量,但使用时传感器不能直接深入爆震管内测量,且必须增加冷却装置[1]。
这一方面导致测量结果存在延时,另一方面由于爆震波在冷却管内发生一系列的叠加、反射等过程,导致测量值有所偏差,不能直接反映爆震管内压力。
因此,PDE 高温环境下的压力测量是PDE 测控技术的重点、难点之一。
基于离子电流的传感技术在汽车发动机爆震、失火检测[2,3]、汽缸压力估计、火焰传播速度测量、空燃比检测等方面得到广泛应用[4]。
鉴于此,将离子传感技术引入到PDE 的压力测量当中,在已有的基于离子电流的PDE 高温压力传感器机理研究基础上,利用其研究成果)))一种新型的单针短探针型的离子传感器,开展大量的单爆震试验,进一步获得离子推进技术2009年电流衰减速度和爆震室内峰值压力之间的定量关系。
2测量原理离子电流法的理论基础是碳氢燃料与空气的混合物燃烧时,燃烧火焰除了发出光和热外,还显现出强烈的离子化。
在一个大气压下,离子浓度高达1010~1013个/c m2。
燃气中的高离子浓度区域仅局限于火焰带这个狭窄的反应区域内。
爆震波结构可以用一维Z ND模型表示,它由一道平面激波和紧随其后的化学反应区,即燃烧波组成,如图1所示[5]。
Fig11ZND detona ti on wave structu re andther m odyna m i c characteristics由于脉冲爆震发动机每个工作循环中,燃烧反应时间较短,因此碳氢燃料和空气的反应中,离子的生成主要集中在感应区,生成离子的典型反应有[6]C H+O k1C H O++e-(1)C H O++H2O k2CO+H3O++e-(2)H3O++e-k3H2O+H(3)产生CHO+的反应式(1)是放热的,反应中所释放的热量使得CHO+继续电离,产生H3O+。
大量的自由电子、正负离子和自由基等带电粒子使燃气具有一定的电导性。
在离子探针两极间施加一个直流偏置电压,形成一个电场,带电粒子在电场中发生定向迁移,正离子向阴极方向运动,电子向阳极方向运动。
离子传感器正、负极两端间形成持续的离子电流,如图2所示。
在外电路中,形成的电流,即离子传感器离子电流为[7]I=en e P R2v d=en e P R2E L(4)式中e为单位电荷,n e为相应于离子浓度的自由电子浓度,v d为迁移速度,E为电场强度,L为迁移速率,R 为离子探针阳极半径。
对式(4)求对时间的偏导数,Fig12M ovem en t of i on and e l ec tron可得离子电流的衰减速度5I5t=P R2evd5n e5t(5)存在大量碰撞时,带电粒子的平均迁移速度与电场强度有关,也与气体的浓度有关,而气体的浓度随管内压力的增大而增大(其它条件不变时),因而带电粒子的迁移速度正比于电场强度E与压力P之比[8]。
v d WEp(6)在火焰前锋期,爆震管内离子浓度变化的净速率为离子生产速率与离子结合速率之差。
由于分子碰撞,高浓度离子会自然地向低浓度扩散衰减,其衰减关系满足沙哈方程[9]。
由式(3)可以看出,在离子结合反应过程中,分子个数变为衰减前的两倍。
因而,离子浓度的衰减速度依赖于压力的平方[10]。
在PDE 中,如果测量中保持离子探针两极间电场强度恒定,即偏置电压恒定,则式(5)可写成5I5tW1p(p2)=p(7)式(7)表明爆震管内压力与离子电流的衰减速度成正比。
因此,爆震管内压力测量可以转化为离子电流衰减速度的测量,这是PDE高温环境下压力测量的一种新方法。
3试验系统本文试验中采用自行研制的一种新型的短探针型的单针离子探针,其结构如图3所示,测量电路如图4所示。
前期研究表明这种离子探针测量所得离子电流能够反映爆震波的压力变化,可以作为PDE356第30卷第3期脉冲爆震发动机高温压力测量方法的高温压力传感器开展研究[11]。
试验系统(如图5)包括爆震管、充气与循环系统、点火系统及测量系统。
爆震管为60mm@60mm 的方管,长度为2000mm。
燃料为乙炔,氧化剂为氧气,用空气调节混气中乙炔与氧气的浓度。
充气前先将爆震管抽成真空,以消除管中剩余气体的影响。
燃料与氧化剂的充气量由管中气体分压力确定。
充气完成后通过循环泵将燃料与氧化剂充分混合,然后通过点火系统点火起爆。
测量系统包括动态压力测量系统及离子探针电压测量系统。
压力测量系统采用4只美国PCB公司的高频响动态压力传感器(谐振频率500k H z,上升时间1ns)及其适配器[1],用于与离子探针测量信号对比。
离子探针共有4个,压力传感器及离子探针的安装位置如图5所示,测量信号均由一台高频响数据采集设备获得。
4试验结果与数据处理分析根据测量原理中分析得到的离子电流与压力的关系模型,由式(7)可得p=k5I5t+C(8)式中k为斜率,C为常数。
k和C与电场强度E,离子浓度的变化5n e/5t,探针电极的面积A等相关。
进而可知,k和C与两极间所加偏置电压U,反应物类型、混气形成等相关。
为了获得k和C,以乙炔为燃料,空气为氧化剂,化学恰当比U=018,偏置电压U=10V,开展单爆震试验,试验结果如图6所示。
有图可知,离子电流曲线与压力曲线在响应上保持一致,在松弛特性上有些差距。
这主要是由于两种传感器测量原理不同造成。
离子传感器是基于爆震波感应区内离子浓度的变化与压力的关系来实现压力测量的,当爆震波离开离子探针后,离子浓度迅速减小,因而所测离子电流迅速衰减。
压力传感器测量的是爆震管内的激波压力及其后的稀疏波压力,因此其衰减过程较离子电流慢。
但是,以离子电流衰减速度来测定爆震波压力峰值是可行的。
选取16次试验中的59个数据点进行分析,建立压力峰值与离子电流衰减速度之间的关系表(表1)。
离子电流的衰减速度定义为离子电流峰值与离子电流衰减时间之比。
限于篇幅,在此列出部分数据。
F i g15Exp eri m ental syste m for a pu lse d etonat i on eng i ne 357推进技术2009年F ig16S i ngle detonati on exper i m en t re s u lt for PDE采用上述数据中的50组,采用最小二乘算法对式(8)进行直线拟合,结果如图7所示,得到C= 21996,k=11268,从而得到爆震管内压力和离子电流衰减速度的关系式p=112685I5t+21996(9)Fig17R elati on sh i p be t ween decay speed ofion current and press u re peak为了验证拟合关系式,随机选取16组试验中的另外9组数据,将5I/5t代入式(9)中计算压力p,将计算结果与试验结果进行比较,如表2所示。