
					兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (3): 754-762.doi: 10.12382/bgxb.2022.0600
收稿日期:2022-06-29
									
				
									
				
									
				
				
											上线日期:2022-09-13
									
			通讯作者:
					基金资助:
        
               		LUO  Yongchen, XU  Han*(
), ZHANG  Feng, ZHENG  Quan, WENG  Chunsheng
			  
			
			
			
                
        
    
Received:2022-06-29
									
				
									
				
									
				
				
											Online:2022-09-13
									
			摘要:
为实现煤粉连续旋转爆轰发动机的可靠点火,开展乙烯对煤粉-氧气起爆特性的影响机制研究。在初始压力p0=100kPa下,采用高能电点火对有无0.5当量比乙烯氛围下的煤粉-氧气混合物开展直接起爆实验研究。点火能量通过测定在空气中高能电火花产生的爆炸波压强进行计算。计算后发现:采用6.3J的有效点火能量,煤粉-氧气在不含乙烯的氛围下无法起爆;在此能量下,煤粉-氧气在0.5当量比的乙烯氛围条件下可实现直接起爆;将能量降低为3.6J,使其低于乙烯-氧气(0.5当量比)混合物的临界起爆能量,虽然乙烯-氧气无法直接起爆,但是在加入煤粉后却可以形成稳定的自持爆轰波。研究结果表明:若要实现煤粉-氧气的直接起爆,则需要添加一定量的助爆气体(如乙烯);煤粉的加入还可以拓宽乙烯-氧气混合物的起爆极限。所得结果可以为煤粉连续旋转爆轰发动机的点火起爆提供理论依据并提供技术支撑。
中图分类号:
罗永晨, 续晗, 张锋, 郑权, 翁春生. 乙烯对煤粉-氧气爆轰波起爆特性影响机制的实验研究[J]. 兵工学报, 2024, 45(3): 754-762.
LUO Yongchen, XU Han, ZHANG Feng, ZHENG Quan, WENG Chunsheng. Experimental Study on the Effect of Ethylene on the Detonation Wave Initiation of Coal Powder/oxygen Mixture[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(3): 754-762.
| 参数 | 高点火能量 | 低点火能量 | 
|---|---|---|
| 电压U/kV | 14 | 12 | 
| 超压psh/kPa | 1.75 | 1.15 | 
| 爆炸波马赫数Mash | 1.575 | 1.405 | 
| 归一化传播距离rsh/r0 | 1.26 | 1.52 | 
| 激波能量Esh/J | 6.3 | 3.6 | 
表1 不同点火能量下的相关参数(C=20μF,p01=101.35kPa)
Table 1 Related parameters related under different ignition energies (C=20μF,p01=101.35kPa)
| 参数 | 高点火能量 | 低点火能量 | 
|---|---|---|
| 电压U/kV | 14 | 12 | 
| 超压psh/kPa | 1.75 | 1.15 | 
| 爆炸波马赫数Mash | 1.575 | 1.405 | 
| 归一化传播距离rsh/r0 | 1.26 | 1.52 | 
| 激波能量Esh/J | 6.3 | 3.6 | 
| 成分 | 总水分 | 挥发分 | 灰分 | 固定碳 | 
|---|---|---|---|---|
| 质量分数/% | 1.13 | 3.48 | 0.61 | 95.91 | 
表2 煤粉成分分析
Table 2 Proximate analysis of coal sample
| 成分 | 总水分 | 挥发分 | 灰分 | 固定碳 | 
|---|---|---|---|---|
| 质量分数/% | 1.13 | 3.48 | 0.61 | 95.91 | 
| 工况 | 案例 | 燃料 | 氧化剂 | Esh/J | 当量比 | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 煤粉 | C2H4 | 全局 | |||||
| 无乙烯氛围下煤粉-氧气点火实验 | 1 | 煤粉 | 氧气 | 3.6 | 0.5 | 0 | 0.5 | 
| 2 | 煤粉 | 3.6 | 0.7 | 0 | 0.7 | ||
| 3 | 煤粉 | 6.3 | 0.5 | 0 | 0.5 | ||
| 4 | 煤粉 | 6.3 | 0.7 | 0 | 0.7 | ||
| 在乙烯氛围下,采用高于临界起爆能量的点火能量对煤粉-氧气进行点火实验 | 5 | C2H4 | 氧气 | 6.3 | 0 | 0.5 | 0.5 | 
| 6 | 煤粉+C2H4 | 6.3 | 0.2 | 0.5 | 0.7 | ||
| 7 | 煤粉+C2H4 | 6.3 | 0.5 | 0.5 | 1.0 | ||
| 8 | 煤粉+C2H4 | 6.3 | 0.8 | 0.5 | 1.3 | ||
| 9 | 煤粉+C2H4 | 6.3 | 1.0 | 0.5 | 1.5 | ||
| 在乙烯氛围下,采用低于临界起爆能量的点火能量对煤粉-氧气进行点火实验 | 10 | C2H4 | 氧气 | 3.6 | 0 | 0.5 | 0.5 | 
| 11 | 煤粉+C2H4 | 3.6 | 0.2 | 0.5 | 0.7 | ||
| 12 | 煤粉+C2H4 | 3.6 | 0.5 | 0.5 | 1.0 | ||
| 13 | 煤粉+C2H4 | 3.6 | 0.8 | 0.5 | 1.3 | ||
| 14 | 煤粉+C2H4 | 3.6 | 1.0 | 0.5 | 1.5 | ||
表3 实验工况
Table 3 Test conditions
| 工况 | 案例 | 燃料 | 氧化剂 | Esh/J | 当量比 | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 煤粉 | C2H4 | 全局 | |||||
| 无乙烯氛围下煤粉-氧气点火实验 | 1 | 煤粉 | 氧气 | 3.6 | 0.5 | 0 | 0.5 | 
| 2 | 煤粉 | 3.6 | 0.7 | 0 | 0.7 | ||
| 3 | 煤粉 | 6.3 | 0.5 | 0 | 0.5 | ||
| 4 | 煤粉 | 6.3 | 0.7 | 0 | 0.7 | ||
| 在乙烯氛围下,采用高于临界起爆能量的点火能量对煤粉-氧气进行点火实验 | 5 | C2H4 | 氧气 | 6.3 | 0 | 0.5 | 0.5 | 
| 6 | 煤粉+C2H4 | 6.3 | 0.2 | 0.5 | 0.7 | ||
| 7 | 煤粉+C2H4 | 6.3 | 0.5 | 0.5 | 1.0 | ||
| 8 | 煤粉+C2H4 | 6.3 | 0.8 | 0.5 | 1.3 | ||
| 9 | 煤粉+C2H4 | 6.3 | 1.0 | 0.5 | 1.5 | ||
| 在乙烯氛围下,采用低于临界起爆能量的点火能量对煤粉-氧气进行点火实验 | 10 | C2H4 | 氧气 | 3.6 | 0 | 0.5 | 0.5 | 
| 11 | 煤粉+C2H4 | 3.6 | 0.2 | 0.5 | 0.7 | ||
| 12 | 煤粉+C2H4 | 3.6 | 0.5 | 0.5 | 1.0 | ||
| 13 | 煤粉+C2H4 | 3.6 | 0.8 | 0.5 | 1.3 | ||
| 14 | 煤粉+C2H4 | 3.6 | 1.0 | 0.5 | 1.5 | ||
| 案例 | Esh/J | GER | 现象 | 
|---|---|---|---|
| 1 | 3.6 | 0.5 | 无反应 | 
| 2 | 3.6 | 0.7 | 无反应 | 
| 3 | 6.3 | 0.5 | 无反应 | 
| 4 | 6.3 | 0.7 | 无反应 | 
表4 无乙烯氛围下煤粉-氧气点火实验结果
Table 4 Coal powder/oxygen ignition experiment results without ethylene
| 案例 | Esh/J | GER | 现象 | 
|---|---|---|---|
| 1 | 3.6 | 0.5 | 无反应 | 
| 2 | 3.6 | 0.7 | 无反应 | 
| 3 | 6.3 | 0.5 | 无反应 | 
| 4 | 6.3 | 0.7 | 无反应 | 
																													图6 当量比0.5的乙烯-氧气成功起爆时的压力-时间曲线 (Esh=6.3J,案例5)
Fig.6 Pressure-time curve of successful detonation initiation of ethylene/oxygen with the equivalence ratio of 0.5 (Esh=6.3J, Case 5)
																													图8 采用高点火能量,乙烯氛围下GER为1.5的煤粉-氧气成功起爆的压力-时间曲线 (Esh=6.3J,案例9)
Fig.8 Pressure-time curve of successful detonationinitiation of coal powder/oxygen with the global equivalence ratio of 1.5 under high ignition energy with ethylene (Esh=6.3J,Case 9)
																													图9 在乙烯氛围下,不同GER煤粉-氧气的v/vC-J和p/pC-J(Esh=6.3J)
Fig.9 v/vC-J and p/pC-J of coal powder/oxygen at different global equivalence ratios with ethylene(Esh=6.3J)
| 案例 | GER | v/vC-J/% | p/pC-J/% | 直接点火 | 
|---|---|---|---|---|
| 5 | 0.5 | 92.6 | 90.9 | Yes | 
| 6 | 0.7 | 86.8 | 95.9 | Yes | 
| 7 | 1.0 | 86.7 | 98.2 | Yes | 
| 8 | 1.3 | 90.3 | 97.7 | Yes | 
| 9 | 1.5 | 88.6 | 100.0 | Yes | 
表5 采用高点火能量,在乙烯氛围下不同GER的煤粉-氧气点火实验结果(Esh=6.3J)
Table 5 Experimental results of ignition of coal powder/oxygen at different global equivalence ratios with ethylene under high ignition energy(Esh=6.3J)
| 案例 | GER | v/vC-J/% | p/pC-J/% | 直接点火 | 
|---|---|---|---|---|
| 5 | 0.5 | 92.6 | 90.9 | Yes | 
| 6 | 0.7 | 86.8 | 95.9 | Yes | 
| 7 | 1.0 | 86.7 | 98.2 | Yes | 
| 8 | 1.3 | 90.3 | 97.7 | Yes | 
| 9 | 1.5 | 88.6 | 100.0 | Yes | 
																													图10 当量比为0.5的乙烯-氧气未成功起爆时的压力-时间曲线(Esh=3.6J,案例10)
Fig.10 Pressure-time curve of unsuccessful detonation initiation of ethylene/oxygen with the equivalence ratio of 0.5(Esh=3.6J, Case 10)
																													图11 采用低点火能量,乙烯氛围下GER为1.5的煤粉-氧气成功起爆的压力-时间曲线(Esh=3.6J,案例 14)
Fig.11 Pressure-time curve of successful detonation initiation of coal powder/oxygen with the global equivalence ratio of 1.5 under low ignition energy with ethylene(Esh=3.6J,Case 14)
																													图12 乙烯氛围下不同GER下煤粉-氧气的v/vC-J和p/pC-J(Esh=3.6J)
Fig.12 v/vC-J and p/pC-J of coal powder/oxygen at different global equivalence ratios with ethylene (Esh=3.6J)
| 案例 | GER | v/vC-J/% | p/pC-J/% | 直接点火 | 
|---|---|---|---|---|
| 10 | 0.5 | No | ||
| 11 | 0.7 | 82.9 | 94.4 | Yes | 
| 12 | 1.0 | 86.4 | 98.5 | Yes | 
| 13 | 1.3 | 82.7 | 97.0 | Yes | 
| 14 | 1.5 | 87.1 | 98.9 | Yes | 
表6 采用低点火能量,在乙烯氛围下煤粉-氧气点火起爆的实验结果(Esh=3.6J)
Table 6 Experimental results of ignition of coal powder/oxygen at different global equivalence ratios with ethylene under low ignition energy(Esh=3.6J)
| 案例 | GER | v/vC-J/% | p/pC-J/% | 直接点火 | 
|---|---|---|---|---|
| 10 | 0.5 | No | ||
| 11 | 0.7 | 82.9 | 94.4 | Yes | 
| 12 | 1.0 | 86.4 | 98.5 | Yes | 
| 13 | 1.3 | 82.7 | 97.0 | Yes | 
| 14 | 1.5 | 87.1 | 98.9 | Yes | 
| [1] |  
											  刘世杰, 林志勇, 林伟, 等. H2/Air连续旋转爆震波的起爆及传播过程试验[J]. 推进技术, 2012, 33(3):483-489. 
											 											 | 
										
|  
											  | 
										|
| [2] |  
											  刘世杰, 林志勇, 覃慧, 等. 连续旋转爆震波发动机研究进展[J]. 飞航导弹, 2010(2): 70-75,79. 
											 											 | 
										
|  
											  | 
										|
| [3] |  
											  吴明亮, 郑权, 续晗, 等. 氢气占比对氢气-煤油-空气旋转爆轰波传播特性的影响[J]. 兵工学报, 2022, 43(1): 86-97.  
											 												doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2022.01.010  | 
										
|  
											  doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2022.01.010  | 
										|
| [4] |  
											  赵明皓, 王可, 王致程, 等. 点火方式对空桶型旋转爆震燃烧室起爆特性的影响[J]. 航空学报, 2022, 43(1):232-243. 
											 											 | 
										
|  
											  | 
										|
| [5] |  
											  doi: 10.1134/S0010508211040113 URL  | 
										
| [6] |  
											  doi: 10.1134/S1028335810030092 URL  | 
										
| [7] |  
											  doi: 10.1134/S0010508213060105 URL  | 
										
| [8] |  
											  doi: 10.1134/S0010508216060101 URL  | 
										
| [9] |  
											  doi: 10.1016/j.fuel.2021.121128 URL  | 
										
| [10] |  
											  doi: 10.1115/1.4051540 URL  | 
										
| [11] |  
											  doi: 10.1016/j.applthermaleng.2022.118642 URL  | 
										
| [12] |  
											  续晗, 罗永晨, 倪晓冬, 等. 铝粉燃料连续旋转爆轰发动机工作特性研究[J]. 兵工学报, 2022, 43(5):1046-1053.  
											 												doi: 10.12382/bgxb.2022.0002  | 
										
|  
											  doi: 10.12382/bgxb.2022.0002  | 
										|
| [13] |  
											  苏晓杰, 续晗, 翁春生, 等. 粉末爆轰发动机的粉末燃料供应特性研究[J]. 推进技术, 2022, 43(10):210250. 
											 											 | 
										
|  
											  | 
										|
| [14] |  
											  | 
										
| [15] |  
											  doi: 10.1088/1742-6596/1382/1/012096  | 
										
| [16] |  
											  doi: 10.1007/s12404-013-0401-3 URL  | 
										
| [17] |  
											  doi: 10.1134/S0010508218060059  | 
										
| [18] |  
											  doi: 10.1016/j.jlp.2008.11.001 URL  | 
										
| [19] |  
											  doi: 10.1063/5.0076299 URL  | 
										
| [20] |  
											  高光发. 波动力学[M]. 北京: 科学出版社, 2019:266-267. 
											 											 | 
										
|  
											  | 
										|
| [21] |  
											  张博, 白春华. 高电压点火有效能量的测量及相关问题[J]. 爆炸与冲击, 2013, 33(1):85-90. 
											 											 | 
										
|  
											  | 
										|
| [22] |  
											  doi: 10.1016/S0082-0784(79)80120-4 URL  | 
										
| [23] |  
											  张博,  
											 											 | 
										
|  
											  | 
										|
| [24] |  
											  doi: 10.1016/j.apenergy.2020.114854 URL  | 
										
| [25] |  
											  doi: 10.1016/j.fuel.2017.01.038 URL  | 
										
| [1] | 李世全,祝文超,孙方平,王宇辉,王健平. 颗粒注射速度对铝粉/空气两相旋转爆轰波的影响[J]. 兵工学报, 2024, 45(4): 1148-1157. | 
| [2] | 雷特, 武郁文, 徐高, 邱彦铭, 康朝辉, 翁春生. 基于大涡模拟方法的三维旋转爆轰流场结构研究[J]. 兵工学报, 2024, 45(1): 85-96. | 
| [3] | 康杨, 李宁, 黄孝龙, 张君善, 翁春生. 曲面反射装置对脉冲爆轰发动机外流场影响的数值模拟[J]. 兵工学报, 2023, 44(7): 1966-1977. | 
| [4] | 商士远, 仝毅, 王志超, 黄风雷. 以碳纳米管为外加碳源爆轰合成聚晶金刚石[J]. 兵工学报, 2023, 44(7): 1993-2001. | 
| [5] | 郗雪辰, 杨鹏飞, 王宽亮. 非均匀氢气/空气混合物中一维爆轰波的振荡特性[J]. 兵工学报, 2023, 44(4): 982-993. | 
| [6] | 赵焕娟, 刘克庆, 庞磊, 刘婧, 林敏, 董士铭. 爆轰不稳定性及初始压力对螺旋爆轰轨迹角的影响[J]. 兵工学报, 2023, 44(4): 1086-1096. | 
| [7] | 杜亮亮, 钱伟新, 刘寿先, 赵宇, 李生福, 翟召辉, 畅里华, 朱瑜, 翁继东, 吴建, 李俊, 朱礼国. 冲击波与爆轰实验瞬态光电测试技术研究进展[J]. 兵工学报, 2023, 44(12): 3622-3640. | 
| [8] | 冯文康,郑权,汪小卫,董晓琳,翁春生,肖强,孟豪龙. 当量比对煤油-空气两相旋转爆轰波的影响[J]. 兵工学报, 2022, 43(6): 1304-1315. | 
| [9] | 康杨, 李宁, 黄孝龙, 翁春生. 基于环形喷管的脉冲爆轰发动机爆轰声波声学特性[J]. 兵工学报, 2022, 43(5): 1075-1082. | 
| [10] | 孟豪龙, 翁春生, 武郁文, 郑权, 肖强, 王放, 白桥栋. 环形燃烧室中凹腔对C2H4/Air旋转爆轰流场影响的数值模拟[J]. 兵工学报, 2022, 43(5): 1063-1074. | 
| [11] | 续晗, 罗永晨, 倪晓冬, 肖博文, 张锋, 苏晓杰, 郑权, 翁春生. 铝粉燃料连续旋转爆轰发动机工作特性[J]. 兵工学报, 2022, 43(5): 1046-1053. | 
| [12] | 黄孝龙, 李宁, 康杨, 翁春生. 气-液两相多循环爆轰声场特性[J]. 兵工学报, 2022, 43(10): 2621-2630. | 
| [13] | 吴明亮, 郑权, 续晗, 翁春生, 白桥栋. 氢气占比对氢气-煤油-空气旋转爆轰波传播特性的影响[J]. 兵工学报, 2022, 43(1): 86-97. | 
| [14] | 李淑睿, 段卓平, 郑保辉, 罗观, 黄风雷. 24-二硝基苯甲醚基熔铸含铝炸药圆筒试验及爆轰产物状态方程[J]. 兵工学报, 2021, 42(7): 1424-1430. | 
| [15] | 魏万里, 郑权, 鲁江涛, 翁春生, 武郁文. 中心锥对液态燃料旋转爆轰发动机工作过程与性能的影响[J]. 兵工学报, 2021, 42(6): 1185-1194. | 
| 阅读次数 | ||||||
| 
												        	全文 | 
											        	
												        	 | 
													|||||
| 
												        	摘要 | 
												        
															 | 
													|||||
 京公网安备11010802024360号    京ICP备05059581号-4