本發明屬于屬于高溫氣體動力學技術領域，特別涉及一種基于雙爆轟驅動清潔氣體模擬噴氣發動機高溫燃氣的方法。
背景技術：
直接用噴氣發動機開展尾噴管及后場流動特性試驗研究是常用的手段，最大的優點是可以用1:1的模型而且反映出真實的流動狀態。不過，也存在如下問題：1)有毒氣體對參試人員身體健康存在很大隱患；2)由于時間較長通常需對試驗設備和工件進行冷卻，冷卻后使得熱流測量的準確性增加難度；3)不冷卻的話很容易在試驗中燒壞試驗設備和測量儀表，從而很難保證試驗的重復性；4)溫度太高對熱流傳感器的熱特性參數改變較大，影響測量的準確性；5)通常試驗費用高和周期長。而用模擬高溫燃氣試驗裝置研究發動機尾噴管性能及其噴流特性，需要在尾噴管的入口產生熱力學參數和組分及實驗時間符合要求的高溫燃氣。通常可采用如下幾種方案：1)空氣加氫補氧燃燒方案，優點是實驗時間比較長，但產生的燃氣要么組分增加了大量的水蒸氣(俗稱污染氣體)，要么溫度不高或混合不均勻導致燃氣品質沒有達到要求；2)激波管加熱空氣方案可以產生很高溫度的潔凈空氣，但實驗時間極短很難再與燃料均勻混合并充分燃燒；3)電弧加熱或蓄能加熱方案，電弧加熱器會產生氮氧化物和少量雜質；卵石床蓄能加熱器啟動時間長，并且會產生較多的顆粒雜質，均不能滿足發動機來流條件。
爆轟驅動方案：將常溫空氣和燃料按照實際比例預先充分混合，然后用爆轟的方式充分燃燒產生熱力學參數和組分滿足要求的實驗燃氣。為了產生高溫燃氣流，美國康奈爾航空實驗室提出利用的激波風洞產生高溫燃氣流。該方法的原理出自于1965年coates等人[1]提出的爆轟并輔以氫氣驅動的高焓激波風洞的思想，采用可燃混合氣作為實驗氣體，高壓氦氣作為驅動氣體。由于實驗氣體會發生爆轟現象，爆轟波后taylor波會導致氣流狀態非常不均勻，難以利用。若消除taylor波，就需要氦氣的壓力極高，因此這種方法只適用于氣流總壓較低的狀態，但壓力較低時，氦氣驅動很難直接起始爆轟。此外氦氣聲速較低，難以在高溫狀態下縫合運行，因此該試驗方法的應用受到很大限制，自從上世紀60年代提出以后，連同爆轟驅動激波風洞的實驗方法后續再未見相關報道。上世紀80年代末和2000年代初，俞鴻儒分別提出了反向爆轟驅動增設卸爆段[2-3]和前向爆轟輔以雙爆轟驅動激波風洞[4]的思想，才使爆轟驅動的高焓激波風洞在國際上重新得到廣泛重視?；陔p爆轟驅動的理念，2007年開始中科院力學所由提出并發展了雙爆轟和單爆轟產生高溫燃氣的方法[5]，該方法已得到原理性驗證。
技術實現要素：
本發明的目的是：提供一種基于雙爆轟驅動清潔氣體模擬噴氣發動機高溫燃氣的方法，解決當前直接用噴氣發動機開展尾噴管及后場流動特性試驗存在的有毒氣體影響身體健康、試驗設備和工件冷卻后使得熱流測量準確度不高、費用高、周期長等問題，實現使用清潔氣體模擬總溫在2800k～4000k范圍內噴氣發動機燃料和氧化劑燃燒的狀態。
本發明的方案是：一種基于雙爆轟驅動清潔氣體模擬噴氣發動機高溫燃氣的方法，包括下列步驟：
a.根據被模擬噴氣發動機燃料和氧化劑的分子式，得到被模擬噴氣發動機燃料和氧化劑分別含有的原子成分；
b.選擇含有被模擬噴氣發動機燃料和氧化劑所含有原子組分的多種清潔無毒氣體；
c.根據質量守恒定律和能量方程f(a,b,c,d,燃氣總溫t,總壓p,雙爆轟方式)＝δhf(其中a,b,c,d分別是不同氣體的摩爾比)，選擇多種清潔無毒氣體的具體類型及相互間的摩爾比；由被模擬噴氣發動機燃燒產物的溫度和壓力，確定充入爆轟裝置爆轟段中的初始壓力；
d.將多種清潔無毒氣體種類分成燃料和氧化劑兩類，并分別在兩個高壓瓶內進行預混，每一類氣體中的每一種氣體根據摩爾比等于分壓比的原理，在常溫條件下單獨依次混到相應類型高壓瓶中，燃料類和氧化類氣體不能相互摻混；
e.將爆轟裝置分成四段，一段是卸爆段，長度為2～4米；一段是爆轟驅動段，長度為10～17米；一段是爆轟段，長度7～13米；還有一段是噴管和真空腔，長度8～10米；卸爆段與爆轟驅動段之間、爆轟驅動段與爆轟段之間、以及爆轟段與噴管入口之間分別用膜片隔開并用法蘭將膜片緊固；膜片緊固后，將卸爆段、爆轟驅動段、爆轟段和噴管出口的真空腔抽成真空，之后關閉抽氣閥門，只打開測量爆轟段和爆轟驅動段充氣壓力的壓力變送器閥門；
f.根據被模擬噴氣發動機燃料和氧化劑的量，將已分別預混好的燃料和氧化劑氣體同時充入爆轟段中，充入之前需要進行氧化劑和燃料充氣流量的標定；以便兩類氣體按照預定的比例在爆轟段內再次均勻混合，充氣壓力為c中確定的初始壓力；
g.將多種清潔無毒氣體按照一定的比例并通過流量標定后，按照預定的充氣比例和充氣壓力，同時充入已經抽真空的爆轟驅動段內；
h.爆轟段和爆轟驅動段的氣體充氣完成后關閉所有充氣閥門和測量管內充氣壓力的壓力變送器閥門；點火前開啟測量動態壓力的高速數據采集系統；試驗時在爆轟驅動段內靠近爆轟段處采用點火管點火，點火瞬間完成；總的試驗時間不超過100毫秒；
i.主爆轟段管壁安裝有壓力傳感器，試驗過程中用高速數采系統測量爆轟段內壓力分布，從而計算爆轟波波速，并進一步計算出爆轟段內高溫燃氣的總溫和總壓。
更進一步地，所述步驟d中，每一種氣體都是根據摩爾比等于分壓比的原則獨立充氣，充到預先設定的分壓值后，再充入第二種氣體，依次充完所有氣體，并保持一定的時間以便充分混合均勻。
更進一步地，所述步驟f中，在常溫條件下通過流量標定后充入爆轟段的氧化劑和燃料氣體。
更進一步地，所述步驟g中，在常溫條件下按照一定的比例通過流量標定后，同時充入爆轟驅動段的多種清潔無毒氣體為氫氣、氧氣和氮氣。
更進一步地，所述步驟g中，在常溫條件下按照一定的比例通過流量標定后，同時充入爆轟驅動段的多種清潔無毒氣體為乙炔、氧氣和氮氣。
更進一步地，所述步驟g中，充氣比例和充氣壓力預定原則包括：使得爆轟驅動段產生的爆轟燃氣驅動爆轟段的混合氣體產生的主爆轟后面不能跟隨膨脹波，主爆轟在噴管喉道入口反射激波與兩段中爆轟氣體分界面相交時不反射任何波，以便使爆轟段的主爆轟產生的高溫燃氣壓力平穩，無任何非定常波系的干擾。
更進一步地，所述步驟i中，在爆轟段內使用壓阻式壓力傳感器測量燃氣壓力，使用壓電式壓力傳感器測量爆轟波波速。
本發明依據質量守恒定律和能量方程f(a,b,c,d,燃氣總溫t,總壓p,雙爆轟方式)＝δhf(其中a,b,c,d分別是不同氣體的摩爾比)，在現有爆轟驅動技術的基礎上，選擇的多種清潔無毒氣體，并進行混合，然后通過雙爆轟方式進行爆轟，產生與真實發動機燃氣組分和熱力狀態完全一致的高溫、高速氣流，從而模擬總溫在2800k～4000k范圍內噴氣發動機燃料和氧化劑燃燒后的高溫狀態，進一步提高實驗室全方位開展與尾噴管性能和與噴管流動有關的實驗能力和水平。
附圖說明
圖1為本發明方法流程圖；
圖2為本發明雙爆轟驅動原理示意圖；
圖3為本發明實施例1中乙烯與空氣實驗狀態調試結果(to＝3300k,po＝12.5bar,油氣比φ＝1)。
具體實施方式
實施例1：參見圖2和圖3，一種基于雙爆轟驅動清潔氣體模擬噴氣發動機高溫燃氣的方法，包括下列步驟：
a.根據被模擬噴氣發動機燃料和氧化劑的分子式，得到被模擬噴氣發動機燃料和氧化劑分別含有的原子成分；
b.選擇含有被模擬噴氣發動機燃料和氧化劑所含有原子組分的多種清潔無毒氣體；
c.根據質量守恒定律和能量方程f(a,b,c,d,燃氣總溫t,總壓p,雙爆轟方式)＝δhf(其中a,b,c,d分別是不同氣體的摩爾比)，選擇多種清潔無毒氣體的具體類型及相互間的摩爾比；由被模擬噴氣發動機燃燒產物的溫度和壓力，確定充入爆轟裝置爆轟段中的初始壓力；
d.將多種清潔無毒氣體種類分成燃料和氧化劑兩類，并分別在兩個高壓瓶內進行預混，每一類氣體中的每一種氣體根據摩爾比等于分壓比的原理，在常溫條件下單獨依次混到相應類型高壓瓶中，燃料類和氧化類氣體不能相互摻混；每一種氣體都是根據摩爾比等于分壓比的原則獨立充氣，充到預先設定的分壓值后，再充入第二種氣體，依次充完所有氣體，并保持一定的時間以便充分混合均勻；
e.將爆轟裝置分成四段，一段是卸爆段，長度為2～4米；一段是爆轟驅動段，長度為10～17米；一段是爆轟段，長度7～13米；還有一段是噴管和真空腔，長度8～10米；卸爆段與爆轟驅動段之間、爆轟驅動段與爆轟段之間、以及爆轟段與噴管入口之間分別用膜片隔開并用法蘭將膜片緊固；膜片緊固后，將卸爆段、爆轟驅動段、爆轟段和噴管出口的真空腔抽成真空，之后關閉抽氣閥門，只打開測量爆轟段和爆轟驅動段充氣壓力的壓力變送器閥門；
f.根據被模擬噴氣發動機燃料和氧化劑的量，常溫下將已分別預混好的燃料和氧化劑氣體同時充入爆轟段中，充入之前需要進行氧化劑和燃料充氣流量的標定；以便兩類氣體按照預定的比例在爆轟段內再次均勻混合，充氣壓力為c中確定的初始壓力；
g.將多種清潔無毒氣體按照一定的比例并通過流量標定后，按照預定的充氣比例和充氣壓力，同時充入已經抽真空的爆轟驅動段內；充氣比例和充氣壓力預定原則包括：使得爆轟驅動段產生的爆轟燃氣驅動爆轟段的混合氣體產生的主爆轟后面不能跟隨膨脹波，主爆轟在噴管喉道入口反射激波與兩段中爆轟氣體分界面相交時不反射任何波，以便使爆轟段的主爆轟產生的高溫燃氣壓力平穩，無任何非定常波系的干擾；
h.爆轟段和爆轟驅動段的氣體充氣完成后關閉所有充氣閥門和測量管內充氣壓力的壓力變送器閥門；點火前開啟測量動態壓力的高速數據采集系統；試驗時在爆轟驅動段內靠近爆轟段處采用點火管點火，點火瞬間完成；總的試驗時間不超過100毫秒；
i.主爆轟段管壁安裝有壓力傳感器，試驗過程中用高速數采系統測量爆轟段內壓力分布，從而計算爆轟波波速，并進一步計算出爆轟段內高溫燃氣的總溫和總壓；在爆轟段內使用壓阻式壓力傳感器測量燃氣壓力，使用壓電式壓力傳感器測量爆轟波波速。
實施例2：參見圖2和圖3，在實施例1的基礎上，所述步驟g中，在常溫條件下按照一定的比例通過流量標定后，同時充入爆轟驅動段的多種清潔無毒氣體為氫氣、氧氣和氮氣。
實施例3：參見圖2和圖3，在實施例1的基礎上，所述步驟g中，在常溫條件下按照一定的比例通過流量標定后，同時充入爆轟驅動段的多種清潔無毒氣體為乙炔、氧氣和氮氣。
實施例4：參見圖2和圖3，在實施例1的基礎上，使用jf-14高溫燃氣激波風洞，采用氫氣與空氣作為清潔氣體，被模擬燃氣組分為乙烯和空氣，油氣比值為0.6～1.4。