一种固定爆震波曲率损失的装置与方法

本发明涉及爆震燃烧领域，具体为一种固定爆震波曲率损失的装置和方法。

背景技术：

1、爆震波(detonation wave)是由激波和化学反应区强烈耦合的超声速燃烧波。爆震燃烧属于增压燃烧，具有极高的释热速率，与基于等压燃烧的传统推进系统相比，基于爆震燃烧的动力装置，热循环效率更高，结构亦更为简单。近年来，爆震推进已成为航空航天动力领域的研究热点与前沿。爆震发动机分为脉冲爆震发动机、旋转爆震发动机和斜爆震发动机，尽管其工作原理不尽相同，但是获得稳定传播的爆震波是所有爆震发动机正常工作的前提。然而，爆震波在实际应用过程中，受非理想因素的影响，在传播过程中会经历各种损失，如流体边界层损失、侧向膨胀损失与曲率效应等。这些损失皆能造成爆震波传播速度与峰值压力的亏损，严重时会导致爆震波解耦熄爆，从而影响到发动机的稳定工作。因此，研究爆震波的传播损失对爆震发动机的工程研制至关重要。

2、目前关于爆震波的传播损失的研究，主要面临两方面的问题，其一根据传统的研究方法，无法在实验中定量测量爆震波的损失；其二，受限于实验中的现实环境，因而，对相关理论模型的验证缺乏有力支撑。

3、鉴于此，本发明旨在提出一种研究爆震波传播损失方法，提出一种新的方法，由一般到特殊，采用具有特殊几何构型的装置，将传播损失中的曲率损失固定，且尽可能忽略其他损失(如边界层损失等)，进而实现传播损失可测量的目的。进而方便研究人员构建爆震波传播特性与损失之间的定量关系，建立指导燃烧室中爆震波稳定传播的理论模型，推动爆震理论的发展和爆震发动机的工程应用。

技术实现思路

1、本发明提供了一种固定爆震波曲率损失的装置和方法，可在实验中定量测量爆震波的传播损失，便于研究人员获得爆震波传播特性与损失之间的相关规律，建立调控发动机中爆震波稳定传播的燃烧室设计准则。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、点火段和传播段、传播段与扩张段之间均通过连接法兰处的定位凸台、密封槽和密封圈进行密封。法兰上均匀分布通孔，法兰之间通过螺栓紧密连接。点火段进/出气孔焊接直通后连接管道，点火段头部安装高能点火器用于点火起始爆震波，点火段内通过加装schelkin螺旋加速火焰的发展，促进缓燃向爆震的转变(deflagration to detonationtransition，简称ddt)。之后爆震波进入传播段，传播段和点火段均为等截面圆形直管。此外，传播段尾部分布两个压力传感器，用以测量爆震波的压力信号和估算其传播速度，通过与理论chapman-jouguet(cj)速度比较判断爆震波是否已稳定传播。最后，爆震波进入扩张段，扩张段横截面具有固定的面积扩张比，其截面半径遵循自然指数增长关系。扩张段的形线上均匀分布8个压力传感器，用以测量爆震波在扩张段内传播过程中的压力信号。另外，扩张段尾部设有进气孔，用于惰性气体的输入。为便于扩张段的安装与固定，在扩张段加装支撑模块，该模块分为两个部分，扩张段中部外侧设有固定法兰，与上夹和支撑二的凹槽进行配合，便于定位和支撑，其中，支撑二与上夹通过螺栓紧固；此外，支撑一与扩张段尾部法兰焊接，辅助支撑扩张段。

4、采用上述的研究爆震波传播损失的装置构建爆震波传播损失的研究方法，包括如下步骤：

5、s1：由点火段头部位置处的进气孔填气，待气充满整个装置内部后，高能点火器点火，通过schelkin螺旋火焰加速后，在点火段内生成爆震波。

6、s2：压力传感器监测到爆震波传播到传播段尾部时的情况应为稳定传播，若不稳定，则返回上一步。

7、s3：爆震波传播到扩张段，受限于扩张段的几何构型，爆震波在扩张段内的传播曲率恒定，曲率损失也恒定，沿着管壁型线均匀分布的压力传感器即用于观测其在传播过程中压力以及传播速度的变化，进而得出损失的变化情况。

8、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

9、1、本发明提供了一种固定爆震波曲率损失的装置，与传统构型相比，可借助本装置在实验中定量测量爆震波的传播损失。

10、2、本发明提供了一种固定爆震波曲率损失以研究传播损失的方法，与传统研究方法相比，此方法基于装置几何构型确定曲率损失后，忽略弱化其他传播过程中的损失，尽最大可能还原理论模型的相关模拟条件，以便定量研究传播损失。

11、3、本发明提供了一种固定爆震波曲率损失的装置和方法，与传统构型相比，本装置功能更加多元化，定量测量爆震波传播损失这一特点可为相关理论模型的验证提供有力支持。

技术特征：

1.一种固定爆震波曲率损失的装置与方法，其特征在于装置由点火段、传播段、扩张段、各部之间的连接法兰以及尾部端盖组成。点火段由预混气进气口及高能点火器组成，扩张段沿扩张曲面均匀分布8个传感器定位螺栓的安装位。整个实验装置的安装，一方面依靠中间的固定法兰与上夹和支撑二配合，另一方面依靠在扩张段尾端的法兰焊接的支撑一，两者共同起支撑作用。

2.根据权利要求书1所述的一种固定爆震波曲率损失的装置，其特征在于所述点火段，左端安装高能点火器，圆管壁面左侧布置进气孔，用以通入提前预混好的燃气，管内布置有schelkin螺旋以辅助起爆。

3.根据权利要求书1所述的一种固定爆震波曲率损失的装置，其特征在于传播段末端沿轴线等距安装有两个传感器安装位，可用于直接安装压力传感器，确保爆震波传播到传播段尾部时为稳态传播。

4.根据权利要求书1所述的一种固定爆震波曲率损失的装置，其特征在于扩张段加工型面曲率(单侧)依据非线性方程：r＝aexp(bx),其中r为扩张段沿轴向尾部端盖的径向截面半径，a为扩张段入口处的径向截面半径，b为一个与爆震波波面曲率有关的参数。扩张段通道的面积扩张比固定，保证爆震波稳态传播过程中的曲率损失恒定。

5.根据权利要求书1所述的一种固定爆震波曲率损失的装置，其特征在于在扩张段沿非线性方程生成的曲边等距设置八个压力传感器安装位，便于采集爆震波在扩张段的压力信号及传播速度情况，分析结果，从而校核相关的模型。

6.根据权利要求书1所述的一种固定爆震波曲率损失的装置，其特征在于在扩张段传感器的安装方式，将压力传感器与传感器安装座以螺纹相配合并密封，再将传感器安装座与扩张段传感器安装位通过螺栓配合，传感器安装座的密封槽内置密封条，螺栓压紧后，密封条充满整个密封槽。

7.根据权利要求书1所述的一种固定爆震波曲率损失的装置，其特征在于法兰连接处采用双层密封，在连接的两法兰接触面上分别开一个密封槽，其中外侧是平面密封，内侧分公母，一侧做定位凸台，一侧做凹槽，凹槽深度为密封条对应深度加定位凸台高度，两者配合时，凸台宽度与凹槽宽度设计上相等，间隙依公差配合，使密封条受压后充满整个密封槽，密封效果加强。

8.根据权利要求书1所述的一种固定爆震波曲率损失的装置，其特征在于设置了两个支撑模块，该模块分为两个部分，扩张段中部外侧设有固定法兰，与上夹和支撑二的凹槽进行配合，便于定位和支撑，其中，支撑二与上夹通过螺栓紧固；此外，支撑一与扩张段尾部法兰焊接，辅助支撑扩张段。支撑一和支撑二分别配有与底边成60°和与底边成45°的三角筋，辅助受力及支撑。两支撑的底部以一定尺寸布置孔位，便于和实验室台板通过螺栓进行配合紧固。

9.采用权利要求2-8所述的一种固定爆震波曲率损失的装置构建固定爆震波曲率损失的研究方法，其特征在于,有如下步骤组成：

技术总结
本发明公开了一种固定爆震波曲率损失的装置和方法，装置包括点火段、传播段、扩张段以及尾部端盖。点火段、传播段以及扩张段之间通过连接法兰以螺栓连接。本发明以扩张段的固定法兰和尾部法兰，辅助支撑和安装。点火段通入预混气点火产生爆震波，在传播段稳定传播，扩张段通道截面面积扩张比固定，保证爆震波在通道内以固定的曲率损失传播。本发明采用将爆震波传播损失中的曲率损失固定，改进构型以忽略其他损失，达到定量测量传播损失的目的，进而方便研究人员构建爆震波传播特性与损失之间的定量关系，建立指导燃烧室中爆震波稳定传播的理论模型，推动爆震理论的发展和爆震发动机的工程应用。

技术研发人员：肖强,曾敏荟,陈庆云,张启斌,范玮
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2025/1/28