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 |
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