乙烯點(diǎn)火特性及其污染效應(yīng)的激波管研究.pdf

1、超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)(scramjet engine)在未來空天飛行器運(yùn)用中有著廣泛的應(yīng)用前景。在高超聲速條件下，燃料在燃燒室內(nèi)停留時(shí)間短，點(diǎn)火問題成為其關(guān)注的問題之一。激波管是進(jìn)行燃料點(diǎn)火延時(shí)研究的主要實(shí)驗(yàn)手段，通過調(diào)節(jié)入射激波的速度可以獲得較大的溫度和壓力范圍。
　　 本論文在新建激波管的基礎(chǔ)上搭建了一套激波管點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，參考超燃發(fā)動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境，在接近空氣組成的氧氣濃度條件下測(cè)定不同狀態(tài)乙烯點(diǎn)火特性及污染物H2O和CO2存在時(shí)

2、對(duì)其點(diǎn)火延時(shí)特性的影響。
　　 在新建的激波管上搭建完成了包括激波管進(jìn)氣系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、壓力測(cè)量系統(tǒng)和光譜測(cè)量系統(tǒng)的激波管實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過運(yùn)行調(diào)試，為點(diǎn)火延時(shí)的測(cè)量打下了基礎(chǔ)。對(duì)激波管實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)加裝恒溫裝置，使激波管在實(shí)驗(yàn)中保持135℃的高溫，減小了污染組分H2O在管壁吸附對(duì)實(shí)驗(yàn)帶來的影響。
　　 利用點(diǎn)火過程中OH或CH自由基的特征發(fā)射光譜強(qiáng)度的急劇變化作為點(diǎn)火發(fā)生的標(biāo)志，實(shí)驗(yàn)研究了C2H4/O2/Ar混合氣在O

3、2含量接近為空氣的20％時(shí)，點(diǎn)火壓力分別為2、7和12atm，化學(xué)當(dāng)量比Φ為0.5、1和2，溫度范圍為800-1650K條件下的乙烯點(diǎn)火延時(shí)特性，分別考察了壓力和當(dāng)量比對(duì)乙烯點(diǎn)火延時(shí)的影響。通過擬合獲得了乙烯點(diǎn)火延時(shí)與溫度、壓力、化學(xué)當(dāng)量比、燃料、氧化劑的濃度等參數(shù)相關(guān)性的擬合公式為：
　　 τ=2.61×10-6[C2H4]0.36[O2]-1.27[Ar]-0.1×exp(71726/RT)
　　 τ=0.405×P

4、-0.9φ0.37XO2-0.97×exp(62197/RT)
　　 其中，點(diǎn)火延時(shí)時(shí)間的單位為μs，反應(yīng)物濃度為mol/cm3，壓力P為atm，Φ為化學(xué)當(dāng)量比，點(diǎn)火活化能的單位為J/mol。對(duì)乙烯點(diǎn)火轉(zhuǎn)爆轟現(xiàn)象進(jìn)行了初步觀察，探討了其與初始溫度、點(diǎn)火溫度及當(dāng)量比的關(guān)系。
　　 在乙烯點(diǎn)火延時(shí)測(cè)量的基礎(chǔ)上，分別考察了污染物H2O和CO2單獨(dú)與協(xié)同存在對(duì)乙烯點(diǎn)火延時(shí)的影響。在2atm，Φ=0.5、1條件下，加入氣相體積比7

5、.5％、15％和25％H2O，10％CO2及25％H2O+10％CO2，在點(diǎn)火溫度為800-1400K范圍內(nèi)，獲得了乙烯點(diǎn)火延時(shí)的變化情況。結(jié)果顯示：H2O在宏觀上對(duì)乙烯點(diǎn)火時(shí)間的影響較小，在Φ=0.5時(shí)基本沒有影響，加入25％的水在Φ=1.0時(shí)對(duì)其有輕微的影響(800K時(shí)增長(zhǎng)32％)。影響的原因應(yīng)是兩方面因素協(xié)同所致：加水帶來的熱容增大使其增長(zhǎng)；而直接參與化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生了利于促進(jìn)點(diǎn)火反應(yīng)的自由基，使點(diǎn)火延時(shí)縮短。CO2對(duì)乙烯點(diǎn)火延時(shí)在Φ