·336· 工程科学学报，第39卷，第3期 针对爆轰发动机广泛的应用需求四，自20世纪五 卡涡，认为涡单元中的低压中心能够从壁面处吸起积 十年代以来，Voitsekhovski、Bykowski等D-等学者已 碳颗粒.Head等m则通过实验在很多涡中观察到了 对旋转爆轰进行研究，诸多学者0在燃烧室内对多 发卡涡.因此，可以想象当三波马赫结构的剪切层扫 种燃料的旋转爆轰进行了实验研究.旋转爆轰的稳定 过烟膜时，可能存在一个类似的烟膜擦除机制，本文希 性可通过实验给出的压力、速度结果判断，但所给出的 望结合前人工作及微观尺度方法来分析烟膜擦除 实验记录所包含的爆轰波结构信息非常局限，计算也 机制. 大都局限于二维2，并未深入研究爆轰波内部结 环绕在管子内壁的烟膜上仅记录了爆轰面外圈上 构.爆轰波通常具有复杂的结构，研究爆轰面结构最 的三波点经过的路径，想要确定离管壁较远处靠近管 有用的技术之一是烟膜技术a.把熏制的烟膜放置 轴的前导激波面形状，可把烟膜垂直于管轴放置a, 在爆轰管内壁，通过三波点扫过后留下的痕迹来研究 这样爆轰面会在该烟膜上发生反射，对于爆轰内部结 爆轰面，已经成为测量爆轰面胞格结构及尺寸的标准 构的研究十分重要.但是，烟膜固定在端面的难度较 技术7-四，国内学者也通过这种实验与仿真结合来研 高，且烟膜的厚度和不完全平整面会影响波的传播，甚 究爆轰结构D0-2 至在实验中产生的高温高压中遭到破坏，导致实验失 虽然有充分的实验证据表明烟膜上的刻痕是马赫 效，所以前期研究未能给出足够清晰的端面结构.为 结构上的三波点扫过壁面时留下的，但是人们仍未 了更精确的记录端面爆轰结构，创造了烟熏玻璃来记 理解三波点划过积碳表面擦除烟膜的确切机制.在三 录端面爆轰结构的方法.这一方法也有利于研究如何 波点附近马赫杆和反射激波产生的高温和高压不可能 将来自螺旋爆轰波反射的激波相交记录在端面烟膜面 刻出如此清晰的细线.一种机制认为烟灰是被三波点 上的复杂过程.实验中使用多种气体来获得管道内壁 处滑移线上巨大的速度梯度擦除的.这个跨过剪切间 面结构及端面结构，以对比分析三波点在烟膜及端面 断面的速度梯度被认为起到了冲刷的作用.然而，在 留下痕迹的机制.并且利用端面烟熏玻璃和H,作为实 管壁表面总存在着边界层，表面上的无滑移边界条件 验气体获取了十分清晰的端面爆轰结构，这是先前的学 总趋于把三波点相关联的滑移线两侧的速度梯度耗散 者所没有获得的，这将对得到爆轰内部结构做出贡献 掉.因此，剪切流的冲刷作用可以擦除烟膜沉积物这 1 实验装置 一观点是值得怀疑的.另一方面，假如存在着垂直于 壁面的压力梯度，积碳颗粒就能够有效地从表面擦除 建立管道内爆轰波传播实验装置，由爆轰管道、配 平面剪切层可看作是一系列线涡的叠加.因此，在三 气系统、点火系统、测试及采集装置等结构组成，爆轰 波点处就会有一个非常集中的刷烈涡流管，而且当三 管道系统如图1所示，钢制圆管爆轰管道，由金属驱动 波点扫过时，积碳颗粒就能被垂直地从表面移出.在 段及实验段组成，驱动段长1560mm,内径63.5mm,壁 湍流边界层中，Wu等a假设湍流边界层中存在着发 厚10mm;实验段由两段长1200.0mm的钢管构成，管 信号转换器 示波器 点火塞 Shchelking螺旋 离子探针 烟熏膜片 1000mm 1560mm 2100mm 取动段 实验段 风4 控制面板 触发器扣 真空泵 高压供电装置 实验预混气 驱动 图1爆轰管道结构示意图 Fig.I Detonation tube structure diagram工程科学学报，第 39 卷，第 3 期 针对爆轰发动机广泛的应用需求［1］，自 20 世纪五 十年代以来，Voitsekhovskii、Bykowski 等［2--3］ 等学者已 对旋转爆轰进行研究，诸多学者［4--11］在燃烧室内对多 种燃料的旋转爆轰进行了实验研究． 旋转爆轰的稳定 性可通过实验给出的压力、速度结果判断，但所给出的 实验记录所包含的爆轰波结构信息非常局限，计算也 大都局限于二维［12--15］，并未深入研究爆轰波内部结 构． 爆轰波通常具有复杂的结构，研究爆轰面结构最 有用的技术之一是烟膜技术［16］． 把熏制的烟膜放置 在爆轰管内壁，通过三波点扫过后留下的痕迹来研究 爆轰面，已经成为测量爆轰面胞格结构及尺寸的标准 技术［17--19］，国内学者也通过这种实验与仿真结合来研 究爆轰结构［20--25］． 图 1 爆轰管道结构示意图 Fig． 1 Detonation tube structure diagram 虽然有充分的实验证据表明烟膜上的刻痕是马赫 结构上的三波点扫过壁面时留下的［16］，但是人们仍未 理解三波点划过积碳表面擦除烟膜的确切机制． 在三 波点附近马赫杆和反射激波产生的高温和高压不可能 刻出如此清晰的细线． 一种机制认为烟灰是被三波点 处滑移线上巨大的速度梯度擦除的． 这个跨过剪切间 断面的速度梯度被认为起到了冲刷的作用． 然而，在 管壁表面总存在着边界层，表面上的无滑移边界条件 总趋于把三波点相关联的滑移线两侧的速度梯度耗散 掉． 因此，剪切流的冲刷作用可以擦除烟膜沉积物这 一观点是值得怀疑的． 另一方面，假如存在着垂直于 壁面的压力梯度，积碳颗粒就能够有效地从表面擦除． 平面剪切层可看作是一系列线涡的叠加． 因此，在三 波点处就会有一个非常集中的剧烈涡流管，而且当三 波点扫过时，积碳颗粒就能被垂直地从表面移出． 在 湍流边界层中，Wu 等［26］假设湍流边界层中存在着发 卡涡，认为涡单元中的低压中心能够从壁面处吸起积 碳颗粒． Head 等［27］则通过实验在很多涡中观察到了 发卡涡． 因此，可以想象当三波马赫结构的剪切层扫 过烟膜时，可能存在一个类似的烟膜擦除机制，本文希 望结合前人工作及微观尺度方法来分析烟膜擦除 机制． 环绕在管子内壁的烟膜上仅记录了爆轰面外圈上 的三波点经过的路径，想要确定离管壁较远处靠近管 轴的前导激波面形状，可把烟膜垂直于管轴放置［16］， 这样爆轰面会在该烟膜上发生反射，对于爆轰内部结 构的研究十分重要． 但是，烟膜固定在端面的难度较 高，且烟膜的厚度和不完全平整面会影响波的传播，甚 至在实验中产生的高温高压中遭到破坏，导致实验失 效，所以前期研究未能给出足够清晰的端面结构． 为 了更精确的记录端面爆轰结构，创造了烟熏玻璃来记 录端面爆轰结构的方法． 这一方法也有利于研究如何 将来自螺旋爆轰波反射的激波相交记录在端面烟膜面 上的复杂过程． 实验中使用多种气体来获得管道内壁 面结构及端面结构，以对比分析三波点在烟膜及端面 留下痕迹的机制． 并且利用端面烟熏玻璃和 H2 作为实 验气体获取了十分清晰的端面爆轰结构，这是先前的学 者所没有获得的，这将对得到爆轰内部结构做出贡献． 1 实验装置 建立管道内爆轰波传播实验装置，由爆轰管道、配 气系统、点火系统、测试及采集装置等结构组成，爆轰 管道系统如图 1 所示，钢制圆管爆轰管道，由金属驱动 段及实验段组成，驱动段长 1560 mm，内径 63. 5 mm，壁 厚 10 mm; 实验段由两段长 1200. 0 mm 的钢管构成，管 · 633 ·