在激波管中获得长恒定压力试验时间的策略外文翻译资料

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在激波管中获得长恒定压力试验时间的策略

摘要

已经开发了几种技术用于在激波管中的反射激波实验中获得长的恒定压力测试时间，包括使用驱动器插入件，驱动器气体裁剪，氦气隔膜界面，驱动器延伸部和分段驱动气体填充。这些技术在这里被详细描述，包括对最新策略的讨论，分段驱动气体填充。实验表明，这种分段填充策略相对于定制的驱动气体混合物的单级填充将可用测试时间增加大约20％，同时将每次激波所需的氦减少高达85％。该填充方案包括首先在驱动器部分中混合定制的氦 - 氮混合物，如在常规驱动器填充中，其次，从靠近端盖的端口回填低速声音气体例如氮气或二氧化碳驱动器部分。使用这种分段驱动气体填充，除了上面列出的其它技术，已经获得在524K和1.6atm下高达0.102s（102ms）的后反射激波测试时间。在非反应性混合物中基于光谱的温度测量已经证实，温度和压力条件在这些长的测试持续时间的整个长度上保持恒定。最后，这些策略已被用于测量低温正庚烷点火延迟时间。

关键词：长测试时间·驱动器插头·驱动器气体剪裁·分段驱动气体填充·反射激波·激波管

1 引言

动机

使用激波管用于研究燃烧化学动力学已经能够精确确定反应速率，点火延迟时间的测量和对过去60年的其它燃烧现象的研究。迄今为止，大多数这些研究采用测试时间小于约15ms（例如，[1,2]）并且通常小于2ms。尽管这个短的持续时间足以测试在高温（gt; 900K）和高压下具有实际意义的烃燃料的化学性质，但是近来对实际发动机条件下的低温燃烧的兴趣（在600K至900K之间，在中高压力和一些等效的比例范围），其特征在于长得多的时间尺度，这需要在激波管中有更长的测试时间。

1.2 前人的研究

几个研究人员促进了激波管试验时间的延长。例如，Amadio等人 [3]和Hong等人 [4]分别开发了与低声速气体和会聚激波管一起使用的驱动气体剪裁关系。此外，Dumitrescu [5]，Stotz 等人 [6]，和Hong 等人[7]修改了驱动器部分的几何形状，以实现非衰减的入射激波或减轻后反射冲域中的压力增加，如Rossmann 等人 [8]在驱动器部分开发了带有柱塞的激波隧道，这允许改变驱动器段长度以减少高压氦使用。然而，这种氦消耗降低也是以降低测试时间为代价的。类似地，Pang等人[9]，Lam 等人 [10]，和Gates等人[11]使用驱动器部分扩展和驱动器气体裁剪，以分别达到接近20，25和45 ms的测试时间（参见参考文献[12]），Hanson 等人 [13]，Zhu 等人[14]和Campbell 等人 [15]证明了约束反应体积方法将反应气体体积限制在非常接近激波管的端壁的区域，减少了在长测试时间远离测试位置发生的反应的不利影响。此外，Campbell等人[15]使用分段驱动气体填充方法，结合上面列出的其他技术，实现长达55 ms的测试时间。

几组人员研究了数值或理论上的激波的传播现象。 Hooker [16]和Polachek和Seeger [17]研究了气体界面处的激波相互作用;他们的工作导致更好地了解驱动器/驱动气体混合和需要在激波管隔膜[4]附近的轻质界面气体（即氦），Frazier 等人18]数值检查热传递对后反射激波平均气体温度的影响，并得出结论，热传递没有显着降低测试时间直到8厘米直径（和长于20毫秒）的面积平均温度;较大的激波管。 Jacobs开发了一种一维拉格朗日码用于模拟瞬态流动设施，如自由活塞驱动的激波隧道[19]。此外，威斯康星大学激波管实验室（WiSTL）[20]已经开发了具有准确Riemann解算器的二阶MUSCL-Hancock方法有限体积代码。这段代码能够生成x- t图，其图示了激波管中的波传播并且帮助预测测试时间。最后，Rossmann等人开发了一个能够生成x,t图的经验性信息计算机程序[8]。该程序使用实验性入射激波衰减数据来更好地模拟入射激波轨迹并且也考虑由于边界层生长引起的接触表面的加速度。

1.3 背景

压力驱动激波管由两部分组成：驱动部分，填充有高压驱动气体（通常为氦气），由驱动部分的薄聚碳酸酯或金属膜隔开，其包含低压驱动气体（通常氩，虽然许多激波管研究，特别是那些研究燃料点火，使用氮稀释）。当隔膜由于压力诱发的应变而爆裂时，实验开始，并且入射激波波在被驱动部分中朝向位于被驱动部分的端部处的激波管端壁传播。当它移动时，激波波加热和压缩气体，使其在入射激波的方向上运动。当入射激波到达端壁时，它反射回驱动器部分，进一步压缩和加热驱动气体并且还阻塞流动。反射激波到达测试位置（通常距离端壁1-2cm）标志着测试时间的开始。同时，扩展波在驱动器部分中从猝发隔膜朝向驱动器部分的端盖移动。在到达驱动部分端盖之后，该波被反射并朝向从动部分端壁移动。当膨胀波到达测试位置时，其导致压力降低，测试结束。

可以使用x-t图来阐明上面介绍的波之间的各种相互作用，如图1所示。在该图上，使用直线意味着假定理想的激波管行为（即，忽略激波和膨胀波速度衰减）;这导致测试时间的稍微低的预测。黑线表示入射和反射的激波波，蓝色和紫色线分别表示膨胀头和尾波，红色线表示驱动气体和驱动气体之间的接触表面。在该图中，所示的尺寸代表本研究中使用的激波管的尺寸，其驱动器部分最短。该激波管具有被驱动部分长度 = 9.73m和驱动器长度= 3.63m。该图中所示的测试时间用tau;表示。该图中的若干区域用数字表示，其对应于在激波实验期间的空间 - 时间中的不同区域。初始的，未受干扰的驱动部分称为区域1，而驱动器部分中的区域称为区域4同样，首先由接触表面限定的入射激波波，然后是膨胀波头的区域是区域2反射激波后面的区域是区域5最后，区域3表示接触表面和膨胀风扇之间的驱动气体中的条件，区域6是指反射的膨胀波之后的驱动气体条件。

当尝试长于几毫秒的测试时间时，发生新的现象，其中反射的振动与接触表面相互作用，将激波或膨胀波发送回测试位置。这导致压力增加（激波波）或压力下降（膨胀波）。这些条件都是不期望的，并且导致测试时间的终止（对于这些情况的详细x-t图，参见参考文献[3]的图3和图4）。为了抵消这种接触表面相互作用，使用通过将较低声速的气体（例如氮气，氩气，二氧化碳或丙烷）与氦混合而实现的驱动气体定制，使得接触表面两侧的压力，跟随反射激波的通过，是相同的。这使接触表面停滞，结果没有波反射回到测试段（参见参考文献[3,4,22]）。最终，测试时间通过从驱动器部分端盖反射的膨胀波到达测试位置而结束。

在定制条件下的激波实验的理想化x-t图在图3中表示。 区域8是指反射激波后面的时间，由膨胀波头限制。 注意，在与反射的激波波相互作用之后但在遇到膨胀波头之前，接触表面是静止的（区域5和8之间的垂直红线）。 此外，在这种情况下的测试时间几乎比在未分析的示例中长十倍。 在该图中，选择氦和丙烷的驱动剂混合物（参见参考文献[3]）以在给定温度下扩大区域8的面积，使得图更易于读取（使用氦/氮在此 温度，虽然这导致较小的区域8面积）。

一个x- t图还可以用于预测测试时间作为激波管的驱动器部分的长度的函数。 例如，考虑图6。 图3是示出两个不同的驱动器段长度（3.63和9.57m，表示）的理想x在本研究中可用于激波管的两个驱动器长度）。 显然，扩展驱动器段长度增加了测试时间。

现在考虑一个假想的激波管，其总长，驱动加驱动程序，是20米。使用理想化的x-t图允许这种激波管的测试时间容易地作为驱动器长度的函数来估计。我们已经开发了一个内部计算机算法为此目的，依赖于理想的激波关系取自参考文献。 [3,22]。类似于Rossmann等人开发的代码。 [8]，这个程序采用几个简化，使其测试时间预测与实验稍有偏差。尽管有这个缺点，我们在这里介绍它，因为它是一个有用的工具，用于理解实验中观察到的趋势和辅助激波管设计。图4示出了在一个特定的测试压力和三个测试温度下，增加驱动器长度，同时减小驱动长度以保持总激波管长度恒定的效果。请注意，增加驱动器长度而不是驱动长度会导致在所有5区温度（）下的最长测试时间。该图还提供了由WiSTL代码预测的值[20]。两个程序的值都很好地一致，尽管在当前斯坦福计算中的简单假设膨胀波速度保持不变导致较长的测试时间预测。还需要注意的是，WiSTL和Stanford代码都假定 / = 1的驱动器 - 驱动器截面面积比。因此，这些代码预测了驱动器气体氦摩尔分数，其高于斯坦福管中所需的，其具有收敛驱动器驱动设计， / = 2.38 [4,23]（见第2节中的尺寸）。。这导致更高的驱动器气体声速，并且对应于相对于在斯坦福设施中观察到的时间的测试时间的低预测（在表1中提供了20℃下几种气体的声速和其他性质）。动力学过程超过非常大温度范围。曲线如图5，可用于确定获得所需测试时间所必需的驱动器长度。

图4在定制条件下大约激波管试验时间tau;作为驱动段长度的函数，对于总激波管长度为20m。 线是斯坦福代码的计算，单个点是使用WiSTL代码获得的值[20]，热力学数据取自Ref [21]。 正斜率线表示增加驱动器段长度在增加测试时间比增加驱动段长度更有效。 如Amadio等人[3]中所讨论的，在某些低温下在最短的驱动器长度下不可能进行定制。 条件： = T4 = 22℃， = 2.0atm，= 。 驱动器He / N2（定制）; 驱动100％Ar

在斯坦福大学的高温气体动力学实验室，我们开发了许多技术来延长激波管中的测试时间，包括驱动器插入[7]，驱动气体剪裁[4]，在膜片前面使用氦界面气体[4] 扩展[9-11]和分段驱动气体填充[15]。 我们在这项工作中的目标是顺序使用这些工具来实现甚至超过上面所示的x-t图提供的测试时间预测。

2 实验装置

如上所述，本研究中使用的激波管最初由具有11.5cm的圆内径的9.73m的驱动部分和由圆形内径为17.8cm的3.63m的驱动器部分构成的驱动器部分组成 。 使用内径为15.4厘米的驱动器扩展，驱动器部分长度可扩展到最大13.42米。 驱动器和从动部分由厚度为0.25mm的聚碳酸酯隔膜隔开，并且使用四刃切割器以减少爆炸压力中的激波 - 激波变化，并使得在管中释放的隔膜碎片的出现最小化。 本文后面讨论的驱动器插入物根据Hong等人[7]的方法构建。 以抵消与边界层形成和激波衰减相关的测试段中的非理想压力上升。

诊断位于离被驱动部分的端壁2cm处。 使用安装在该位置处的覆盖在室温硫化有机硅（RTV）中的Kistler 603B1换能器监测侧壁压力，并使用到达时间技术通过一系列七个PCB 113A26换能器（具有483B08放大器）测量激波速度， 并以高于plusmn;0.2％的精度外推到端壁。 使用具有10MHz的测量速率的LabVIEW数据采集系统记录来自这些仪器的数据。 注意，在2cm位置（如在这些实验中）和在端壁（如在该研究中进行的模拟）中测量的测试时间基本相同。计算在入射和反射激波之后的端壁处的温度和压力 使用从Burcat数据库[21]获取的热力学数据，分别使用1-D激波关系（例如，参考文献[24]）的精度优于plusmn;0.6和plusmn;1.6％。

表1使用从Burcat数据库获得的数据在20℃下几种气体的性质[21]

图5激波管测试时间tau;在定制条件下[3]作为测试温度的函数，对于= 9.73m和几个值（对应于可用的Stanford激波管驱动器部分配置）。线是斯坦福码的计算， 单个点是使用WiSTL代码[20]获得的值，热力学数据取自Ref [21]。 如Amadio等人[3]中所讨论的，在某些低温下，在最短的驱动器长度下，定制是不可能的条件： = T4 = 22℃， = 2.0atm， = .Driver He / N2 驱动100％Ar

在每次实验之前，将驱动部分机械泵送至小于0.1Torr的压力，并且将驱动部分粗抽至小于1Torr的压力。 从Praxair Inc.获得研究级氩，氦，氮，丙烷和二氧化碳。用于点火实验的光谱级正庚烷从Sigma Aldrich获得，并在使用前脱气。在驱动器部分通过交替地填充两个组分（通常在三个循环中）并且允许混合物在破裂隔膜之前沉降至少2分钟来制备二元（定制）驱动器部分混合物;这种技术也被其他研究者使用[3]。由于填充压力的激波 - 激波变化，实际的驱动气体剪裁在各个实验之间略有不同，如本文所包含的图中所报道的值。最后，为了开始实验，填充非氦组分（通常为氮气），直到隔膜破裂。由于在所有驱动器部分配置中，我们的激波管中的填充端口位于驱动器部分端盖附近，这具有通过将氦混合物推向隔膜而延长测试时间的副作用，这与在详细描述的分段驱动器填充技术在第4部分有所描述。

3 现有测试时间扩展技术的应用

在本节中，我们将在整个实验中具有均匀的压力条件下，依次演示使用驱动器插入[5-7]，驱动器气体剪裁[4]，膈膜前面的氦气接口[4]和驱动器扩展[9-11]，以实现长时间测试。这些单独技术的细节可以在参考文献中更详细地找到。

3.1 驱动器插入

两个基线情况的压力分布如图6所示：一个实验使用驱动器插入，另一个没有。在两个实验中，驱动气体是100％氮气，驱动气体是100％氩气。此外，驱动器和驱动长度分别为3.63和9.73m，驱动器驱动的横截面积比为Adriver / Adriven = 2.38。在时间零点，两个压力记录显示对应于入射和反射激波到达2cm测试位置的阶跃变化（图的横坐标的分辨率不足以区分两个激波）。注意，在没有驱动器插入的激波中，可以观察到约dP * / dt = 1.8％/ ms的随后的归一化压力增加（在该迹线中在约9ms处发生的非均匀增加将在后面讨论）。这样的压力增加是非常不希望的，因为它们根据（1）[25]等熵地增加实验温度，在1000K的代表值如图7所示。

在该方程中，T0和P0是区域5中的初始温度和压力，并且gamma;= /是驱动气体的温度相关热容量比。这些压力增

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