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1、第十一届全国激波与激波管学术会议激波管中煤油点火延时的测量王苏范秉诚何宇中崔季平中科院力学所高温气体动力学重点实验室北京1 0 0 0 8 0摘要：在预加热激波管上采用缝合运行技术，获得了接近7 m s 的实验时间。得到了完整的点火过程引起的压强变化与C H 自由基发射光谱记录。实验温度：9 0 0 1 8 5 0 K ，压力：1 5 “5 a r m ，点火延时时间从4 0 斗s 7 m s 。实验获得了点火延时时间与温度、煤油浓度、氧气浓度的依赖关系。1 引言在超燃冲压发动机中，燃烧室高速流动状态导致燃料的驻留时间变短，在燃烧室中实现碳氢燃料的自点火与稳定高效燃烧成为超声速燃烧中极其重要的
2、研究问题，而燃料的点火延时特性是其中的关键因素之一。从工程应用上看，以燃料点火延时为特征时间与发动机内流动时间之比，是判定发动机点火与持焰稳定等性能的关键参数，燃料点火延时特性研究是冲压发动机设计，评价与探寻好的点火促进剂效率的重要依据。精确的点火延时测定还是燃烧化学动力学建模的依据以及用以检验所用模型优劣的重要判据之一。碳氢燃料点火延时实验通常在激波管中进行。与低碳数碳氢燃料不同，煤油点火延时实验的主要困难是煤油在激波管管壁的吸附作用，导致气相中煤油成分确定的困难。因为煤油主要是高碳数碳氢化合物的混合物，在室温下的饱和蒸气压很低。确定煤油气相组分的另一个困难是煤油不是单一的纯化合物，而是多种
3、高碳数碳氢化合物的混合物，碳数分布从9 到1 2 。由于不同碳数碳氢化合物的管壁吸附程度不同，导致气相成分不同于液相成分。这些困难是本次实验要重点解决的，主要运用了气相色谱方法定量地观测管壁吸附的程度，并用于确定液态煤油的气相组分。2 缝合运行条件实验在中科院力学所高温气体动力学开放研究实验室( L H D ) 的单脉冲化学激波管上进行。 该激波管内经4 4 m m ，高、低压段分别长2 m 和1 8 m 。在工程的温度、压力条件下，5 区的实验 观测时间仅为约i m s 。为达到满足工程预期要求的5 区实验观测时间大于5 m s ，本实验采用缝 合运行状态来延长实验时间。所谓缝合运行即是调整
4、高压室起始气体之成份，使入射激波后2 区气体声速a ，与原高压室气体经等熵膨胀进 入低压室均匀流部分3 区声速a ，满足对应与反 射激波强度所要求的无反射波条件。具体措施 是采用N ：和H e 的混合气代替纯H e 作为驱动气 体，调节混合气的组分，降低3 区声速达到与2m 区声速满足缝合条件。同时降低3 区声速可减 小在激波管高压段端部反射的稀疏波传播速 度，也有利于增加5 区实验观测时间。在本实验激波管上采用缝合运行条件，可 以获得长达7 m s 的5 区实验观测时间，图l 为典型的实验记录。2 5 4图l 缝合运行条件下5 区压力的变化3 煤油在激波管管壁的吸附效应由于室温下液态高碳数碳
5、氢燃料的饱和蒸气压很小，激波管金属管壁对高碳数碳氢燃料图3 液相煤油挥发蒸气进入激波管后气相进样色谱分析的结果图4 管壁选择性吸附的效果吸附作用将严重影响燃料气相组分的确定。 因此，本实验成功的关键之一是要考虑实验 中燃料蒸气被激波管管壁吸附的效应，应正 确确定气相中初始燃料蒸气的浓度。本实验 所用的单脉冲化学激波管具有外加热系统， 管壁可预加热到7 0 ，使激波管的起始状态 就保持在升温的条件下，即可以提高煤油的 饱和蒸汽压，也在很大程度上减轻了管壁吸 附的效应。但进一步提高预加热温度由于受 到测量传感器工作条件的限制而没有采用。 减轻管壁吸附效应的另一手段是对激波管 管壁钝化，即在每次破膜
6、打炮或气相进样测 定浓度前，用一定量的煤油预先在管壁上吸 附，抽真空排空气体后，再进行实验。由于 管壁已被煤油预先吸附，处于钝化状态，后 续对煤油的吸附量将降低。 色谱分析采用长2 m 的毛细管柱。图2 为煤油液相直接进样进行色谱分析的色谱 图。经用纯烷烃标定，图中保留时间为1 7 7 3 3 、2 1 9 9 3 、2 5 9 6 7 、3 0 0 1 6 、3 3 7 8 0的色谱峰分别为含碳数9 、1 0 、1 2 、1 2 、1 3 的正烷烃。其余的小峰为各种环状、支链、 和不饱和态的同分异构体和衍生物。 将液相煤油挥发蒸气进入一样品罐，配 制油与氧气和氩气的混合气。样品罐恒温在 3
7、4 3 K ，并保证混合气中煤油各组分的分压强 低于此温度下的饱和蒸气压。让混合气进入激波管低压段后，从气相进样进行色谱分析 的结果见图3 。图中少见液相煤油中存在的 含碳大于1 0 以上的高碳烷烃成分，而且含 碳数9 、1 0 的峰比例与液相也不同。原因是 煤油是多种碳氢化合物的混合物，只有低沸 点的低碳数烷烃进入了激波管和色谱仪，而 高沸点的高碳数烷烃则由于样品罐的吸附 作用以及激波管管壁对高碳数烷烃强的吸 附作用较少存在于实验气体中。为了避免上 述现象，实验中不采用将液相样品蒸发后预 先在样品罐中配制备用再充入激波管的进样方式，而是采用将一定量的液相样品直接针注入 激波管低压段，激波管低
8、压段预先抽真空，让注入的样品在低压段内充分气化。从煤油主要 成分的沸点和T r o u t o r 定律，可以计算出注入激波管样品量的上限，以保证全部气化后不超 过激波管预加热温度下煤油的饱和蒸气压。事实上，由于存在管壁吸附，实际测定的气相浓 度仍远低于理论预测值。 将2 0ul 液相煤油直接针注入真空状态的激波管低压段后，充入稀释气氩气至1 0 0 T o r r ， 并静置1 0 分钟保证煤油充分蒸发，气相取样进行色谱分析的结果显示在图4 中。将图4 与煤2 5 5羔二旦全里塑塑皇堂鎏笪兰查叁坚油液相直接进样的色谱分析结果图2 比较，煤油中高碳数成分碳1 0 、碳1 1 、碳1 2 的含量
9、明 显降低，特别是碳1 2 降低更多，图4 清楚显示了管壁选择性吸附的效果。为了解决实验样品进样过程中由于吸附造成气相与液相组分不同的困难，本次实验采用 了补偿法。即通过在原始煤油样品中加入不同量的高碳数碳氢化合物以补偿因管壁吸附而损 失的量，达到气相成分与原始煤油一致，以模拟工程上直接喷雾的效果，保证气相点火的实 验结果能代表真实的液相煤油。这样的样品我们称为配制煤油。将2 0ul 液相配制煤油注入真空状态的激波管低压段后充入稀释气氩气至l O O T o r r ，并静置1 0 分钟保证充分蒸发，气相 取样进行色谱分析的结果显示，主要成分与原始煤油液相成分基本相同。本次点火延时测定 实验所
10、用样品均为此种配制煤油。4 煤油气相浓度的确定在本次实验中，我们选取了三种煤油的气相浓度，由于存在管壁吸附作用，采用气相色 谱法进行气相浓度的确定。色谱法确定气相浓度需要利用浓度确定的标样来标定。由于煤油 是混合物，组成也随样品来源的不同有所变化，通常是用平均分子量和等效组分来表示，我 们选用正葵烷作为煤油的等效组分。但由于正葵烷也存在管壁吸附，无法制作确定浓度的正 葵烷标样。本次实验我们采用的标定方法是用基本不存在管壁吸附的低碳数碳氢化合物正辛烷来 标定煤油的气相浓度。首先将正辛烷与实验所用样品配制煤油混合，作为浓度标定样品，混 合液配比为：l m l 配制煤油+ 0 1 m l 正辛烷。混
11、合液中正辛烷摩尔分数为1 2 。由于已知标定 混合液中正辛烷与煤油的准确比例，通过比较标定混合液直接液相进样和经激波管低压段气 相进样色谱图的不同，就能推出气相煤油的浓度。图5 是取0 4u1 标定混合液直接液相进样色谱分析的结果。经标定保留时间为1 4 6 4 1图6 针注1 0 ul 标定混合液进入激波管后， 完全蒸发气相进样色谱分析的结果处色谱峰为辛烷峰。经过对煤油组分面积求 和，计算出辛烷的摩尔分数为0 1 5 ，与原标 定混合液中正辛烷摩尔分数0 1 2 基本相同。 差异来源于多组分样品色谱数据的处理误差，主要是对小峰碳数的认定。这两个浓度的一致 说明色谱柱本身不存在不可逆的选择性吸
12、附。分别将1 0 ul 、2 0 ul 标定混合液注入真空状态的激波管低压段后，充入稀释气氩气至 l O O T o r r ，并静置1 0 分钟保证充分蒸发，气相 取样进行色谱分析的结果显示在图6 、7 中。2 5 6图7 。针注2 0u1 标定混合液进入激波管后，完全蒸发气相进样色谱分析的结果一激波管中煤油点火延时的测量将图6 、7 与图5 比较可知，由于存在激波管管壁的吸附，气相中高碳数碳氢化合物的含量大为降低。从图6 和图7 中，经过对峰面积的核算，得到因吸附气相中煤油浓度降低倍 数值平均值为5 。煤油点火延时实验实验在中科院力学所高温气体动力学开放研究实验室的单脉冲化学激波管上进行。
13、激波管低压室长1 8 m ，高压室长2 m ，内径均为4 4 c m ，整体加热至3 4 3 K 。低压段上装有测激波速度用的压力传感器，低压段尾盖上装有测量P 。历史的压力传感器，并开有光学观测窗口。尾盖窗口后面经透镜聚焦，将5 区发射光聚焦于单色仪入射狭缝上，在出口狭缝处安装光电倍增管。单色仪选择波长为C H 自由基特征谱4 3 1 5 n m 处。实验中共配制了4 个样气，样气的配比见表1 ，样气在实验中低压室的充入压力P 。均为l O O T o r r 。实验过程中每次换膜片后，抽真空1 0 分钟，极限真空度达0 I T o r r 。然后针注一定量的液相实验配制煤油进入激波管低压段
14、，静置1 0 分钟，保证煤油充分蒸发和在管壁上达到吸附平衡，再破膜测定点火延时时间。在激波管上实验，其温度与压缩比可简单地由D 2 与A rt s e c图81 0 0 2 + 9 0 + O 1 6 煤油在T 5 = 1 2 6 0 K 条件下的点火实验记录和煤油混合物不变比热气体之正激波关系计算得到，煤油以正葵烷作为代表物。从数字采集分析仪上采得每次实验所记录的激波速度、尾盖5 区压力历史及4 3 1 5 n m的C H 自由基发射谱随时间之演化，其典型记录见图8 。由图可见，发光之突升与压力之突升几乎同步，并明确可区辩出点火时间。以一直线拟合波后自由基C H 发射强度演化过程中急剧上升段并外推与基线相交，所对应的时间与激波跃变的时间差被定义为点火延时时间。实验获得了点火延时时间与温度、煤油浓度、氧气浓度的依赖关系。表1 初始充气条件，其中浓度单位为m I c m 。3样号充气压力量t o n “【煤油】l【0 2 】1【A r 】lA1 0 06 0 l O 。94 7 l O 一84 7 1 0 。62 5B1 0 01 2 l O - 84 7 1 0 。84 7 1 0 - 65 0C1 0 03 0 l O 。94 7 1 0 。74 2 l O 。60 1 2D1 0 06 0 1 0 94 7 1 0 74 2 l O 。60 2 52 5 7
