乙烯点火特性及其污染效应的激波管研究

论文摘要

超燃冲压发动机（scramjet engine）在未来空天飞行器运用中有着广泛的应用前景。在高超声速条件下，燃料在燃烧室内停留时间短，点火问题成为其关注的问题之一。激波管是进行燃料点火延时研究的主要实验手段，通过调节入射激波的速度可以获得较大的温度和压力范围。本论文在新建激波管的基础上搭建了一套激波管点火实验系统，参考超燃发动机的工作环境，在接近空气组成的氧气浓度条件下测定不同状态乙烯点火特性及污染物H2O和CO2存在时对其点火延时特性的影响。在新建的激波管上搭建完成了包括激波管进气系统﹑配气系统﹑真空系统﹑压力测量系统和光谱测量系统的激波管实验系统。通过运行调试，为点火延时的测量打下了基础。对激波管实验系统加装恒温装置，使激波管在实验中保持135℃的高温，减小了污染组分H2O在管壁吸附对实验带来的影响。利用点火过程中OH或CH自由基的特征发射光谱强度的急剧变化作为点火发生的标志，实验研究了C2H4/O2/Ar混合气在O2含量接近为空气的20%时，点火压力分别为2﹑7和12atm，化学当量比Φ为0.5﹑1和2，温度范围为800-1650K条件下的乙烯点火延时特性，分别考察了压力和当量比对乙烯点火延时的影响。通过拟合获得了乙烯点火延时与温度﹑压力﹑化学当量比﹑燃料﹑氧化剂的浓度等参数相关性的拟合公式为：其中，点火延时时间的单位为μs，反应物浓度为mol/cm3，压力P为atm, Φ为化学当量比，点火活化能的单位为J/mol。对乙烯点火转爆轰现象进行了初步观察，探讨了其与初始温度、点火温度及当量比的关系。在乙烯点火延时测量的基础上，分别考察了污染物H2O和CO2单独与协同存在对乙烯点火延时的影响。在2atm，Φ=0.5、1条件下，加入气相体积比7.5%、15%和25%H2O，10%CO2及25%H2O+10%CO2，在点火温度为800-1400K范围内，获得了乙烯点火延时的变化情况。结果显示：H2O在宏观上对乙烯点火时间的影响较小，在Φ=0.5时基本没有影响，加入25%的水在Φ=1.0时对其有轻微的影响（800K时增长32%）。影响的原因应是两方面因素协同所致，加水带来的热容增大使其增长；而直接参与化学反应产生了利于促进点火反应的自由基，使点火延时缩短。在Φ=0.5时CO2对乙烯点火延时基本没有影响，而在Φ=1.0时对点火特性产生一定的阻滞作用，850K使点火延时增加53%。25％H2O＋10％CO2存在时，在较大的温度范围内表现出对乙烯点火的阻滞作用。在Φ＝0.5时，在实验的温度范围900－1400K，协同作用使乙烯点火延时时间增加了35－50％。在Φ＝1时，温度低于1200K污染组分表现出阻滞作用，在实验的温度范围800－1250K，使乙烯点火延时时间增加了15－33％。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 本课题研究目的和主要内容
• 1.2.1 本课题研究目的
• 1.2.2 本课题研究内容
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 碳氢燃料的点火延时研究概述
• 1.3.2 乙烯点火延时研究进展
• 1.3.3 污染物对点火延时的影响
• 1.4 激波管在点火延时研究中的应用
• 1.4.1 点火延时研究的主要工具
• 1.4.2 点火延时的激波管研究
• 2 激波管方法
• 2.1 激波管简介
• 2.2 激波管的基本原理
• 2.3 正激波理论
• 2.4 激波强度与高低压段初始条件的关系
• 2.5 激波管常用测量手段
• 2.6 本章小结
• 3 高密度激波管系统缝合运行调试
• 3.1 激波管实验系统
• 3.1.1 高压段
• 3.1.2 低压段
• 3.1.3 信号采集系统
• 3.1.4 破膜方式的选择
• 3.2 缝合运行实验
• 3.2.1 实验方法
• 3.2.2 实验结果
• 3.3 本章小结
• 4 乙烯的点火延时
• 4.1 实验
• 4.2 结果与讨论
• 4.3 乙烯激波管点火转爆轰现象
• 4.3.1 概述
• 4.3.2 激波诱导点火转爆轰
• 4.3.3 初始温度对点火转爆轰的影响
• 4.4 本章小结
• 5 乙烯点火延时的污染效应
• 5.1 水在激波管中的吸附及其含量的确定
• 5.2 实验
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 水对乙烯点火延时的影响
• 2对乙烯点火延时的影响'>5.3.2 CO₂对乙烯点火延时的影响
• 2O 和 CO₂对乙烯点火特性的协同影响'>5.3.3 H₂O 和 CO₂对乙烯点火特性的协同影响
• 5.3.4 污染效应原因分析
• 5.4 本章小结
• 6 结论及展望
• 6.1 结论
• 6.2 后续研究工作及展望
• 7 总结
• 7.1 本论文的主要研究成果
• 7.2 本论文的创新要点
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录
• B．作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目