宋文艷, 王艷華

(西北工業(yè)大學(xué) 動(dòng)力與能源學(xué)院, 西安 710072)

0 引 言

在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)中，為了模擬飛行狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)的高焓空氣來(lái)流，國(guó)內(nèi)外廣泛采用燃燒加熱方式對(duì)試驗(yàn)空氣進(jìn)行加熱升溫。采用燃燒加熱方式獲得的試驗(yàn)來(lái)流中含有H2O、CO2及自由基等污染組分，污染組分的存在使試驗(yàn)空氣的物理化學(xué)特性、熱力學(xué)性質(zhì)與真實(shí)大氣存在差異，從而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒反應(yīng)過(guò)程、點(diǎn)火和熄火特性、火焰?zhèn)鞑ヌ匦砸约叭紵専嵋?guī)律等產(chǎn)生影響，導(dǎo)致地面試驗(yàn)結(jié)果不能直接反映真實(shí)飛行條件下發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)[1-8]。

Virginia大學(xué)研究人員針對(duì)氫氣或乙烯燃料雙模態(tài)超聲速燃燒室，開(kāi)展了主要污染組分H2O、CO2對(duì)燃燒室性能影響試驗(yàn)研究[9-12]。在Virginia大學(xué)電阻加熱器產(chǎn)生的純凈空氣來(lái)流中添加污染組分H2O、CO2，可以獲得高達(dá)1200K的污染空氣來(lái)流?；诖嗽O(shè)備，Virginia大學(xué)開(kāi)展了純凈空氣來(lái)流和污染空氣來(lái)流的燃燒室對(duì)比試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：(1)H2O、CO2污染對(duì)超聲速燃燒室性能存在顯著影響，尤其是在燃燒室發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換的當(dāng)量比范圍內(nèi)；(2)與純凈空氣來(lái)流相比，污染空氣來(lái)流狀態(tài)下燃燒室發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)的當(dāng)量油氣比更高，且在變當(dāng)量比燃燒室對(duì)比試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，污染組分的存在會(huì)導(dǎo)致燃燒室發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換路徑改變；(3)相對(duì)于純凈空氣來(lái)流，添加摩爾分?jǐn)?shù)3.0%的H2O時(shí)，燃燒室壁面壓力和推力明顯下降，但是繼續(xù)增加H2O的摩爾分?jǐn)?shù)至6%、9%和12%時(shí)，燃燒室性能僅產(chǎn)生較小的額外減小；(4)相對(duì)于H2O，CO2污染對(duì)燃燒室的性能影響更大，這說(shuō)明在地面試驗(yàn)中，采用純氫氣燃料比采用碳?xì)淙剂先紵訜醽?lái)流，燃燒室性能與純凈空氣來(lái)流時(shí)差異更小。

日本東北大學(xué)在Virginia大學(xué)研究的基礎(chǔ)上，基于相同的雙模態(tài)超聲速燃燒室構(gòu)型，采用氫燃燒加熱試驗(yàn)系統(tǒng)，研究了污染試驗(yàn)來(lái)流匹配方式對(duì)燃燒室點(diǎn)火和火焰穩(wěn)定性能的影響[13-14]。污染試驗(yàn)來(lái)流分別匹配了純凈空氣來(lái)流時(shí)的總焓(VAH，1120K)和總溫(VAH，1200K)。試驗(yàn)結(jié)果表明：污染來(lái)流匹配總溫，燃燒室點(diǎn)火性能與純凈空氣來(lái)流的差別最??；污染來(lái)流匹配總焓，燃燒室火焰穩(wěn)定極限對(duì)應(yīng)的當(dāng)量比與純凈空氣來(lái)流最接近，燃燒室壁面壓力分布試驗(yàn)結(jié)果與純凈空氣來(lái)流結(jié)果最吻合。

日本宇航院研究人員在20世紀(jì)90年代開(kāi)展了氫燃料超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)自由射流試驗(yàn)。試驗(yàn)分別采用蓄熱式(純凈空氣來(lái)流)和氫燃料燃燒加熱方式(污染空氣來(lái)流)模擬了飛行條件馬赫數(shù)6的空氣來(lái)流[15-16]。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果顯示：純凈空氣來(lái)流時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)不起動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的氫氣當(dāng)量比為0.40，污染空氣來(lái)流時(shí)，當(dāng)量比上升至0.75，激波串起始位置向上游移動(dòng)至隔離段之前，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道不起動(dòng)；相同當(dāng)量比下，污染空氣來(lái)流時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)壁面壓力和發(fā)動(dòng)機(jī)推力均小于純凈空氣來(lái)流；污染空氣來(lái)流時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)推力下降的2/3是來(lái)流條件的差異造成的。法國(guó)、意大利等國(guó)研究人員也對(duì)地面試驗(yàn)存在的污染效應(yīng)問(wèn)題開(kāi)展了試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。Ingenito等[17]針對(duì)Lapcat飛行器燃燒室開(kāi)展了污染組分(H2O、OH)對(duì)氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響研究，通過(guò)純凈空氣來(lái)流和污染空氣來(lái)流下數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析，得出了發(fā)動(dòng)機(jī)性能外推至真實(shí)飛行狀態(tài)下的估算公式。

甲烷燃燒加熱器作為目前超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)廣泛采用的來(lái)流氣體加熱設(shè)備，其產(chǎn)生的試驗(yàn)來(lái)流中含有的主要污染組分H2O和CO2摩爾分?jǐn)?shù)更大，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響也更大。本文采用電阻加熱和甲烷燃燒加熱直連式試驗(yàn)系統(tǒng)，開(kāi)展來(lái)流加熱方式對(duì)煤油燃料超聲速燃燒室燃燒性能的影響研究。在兩種試驗(yàn)來(lái)流加熱方式下，對(duì)比分析不同當(dāng)量比時(shí)燃燒室壁面壓力分布，結(jié)合煤油燃燒可見(jiàn)光火焰高速攝像圖像，討論污染組分對(duì)煤油燃燒可見(jiàn)光的影響，給出兩種加熱方式下的煤油燃燒火焰?zhèn)鞑ソ嵌取?/p>

1 試驗(yàn)設(shè)備與測(cè)量方法

圖1為西北工業(yè)大學(xué)電阻加熱燃燒室直連式試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。該設(shè)備可提供最大空氣流量0.5～1.5kg/s、總壓0.2～2.5MPa、總溫400～1000K的純凈空氣來(lái)流，具備模擬飛行馬赫數(shù)3～4.5的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室入口來(lái)流條件的能力。圖2為甲烷燃燒加熱燃燒室直連式試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。該設(shè)備采用甲烷/空氣/氧氣燃燒方式實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)來(lái)流的加熱(其中氧氣添加量保證燃燒加熱器出口氣流中氧氣的摩爾分?jǐn)?shù)為21%)，具備總溫850～2100K、總壓0.8～4.0MPa、主流空氣流量0.5～2.5kg/s的模擬能力，覆蓋模擬飛行馬赫數(shù)4～7的燃燒室入口條件。由于采用甲烷燃燒加熱方式，加熱器出口氣流中除主要污染組分H2O、CO2之外，還含有OH、CxOy、NxOy等燃燒中間產(chǎn)物。在這兩套試驗(yàn)設(shè)備的基礎(chǔ)上，已經(jīng)開(kāi)展了氫氣/碳?xì)淙剂铣曀偃紵尹c(diǎn)火、火焰穩(wěn)定、燃料噴射、霧化/混合、燃燒組織技術(shù)等多項(xiàng)基礎(chǔ)研究。在對(duì)比試驗(yàn)中，電阻加熱設(shè)備、甲烷燃燒加熱設(shè)備分別通過(guò)調(diào)節(jié)電功率和空氣流量、調(diào)節(jié)加熱器本體各氣路流量匹配關(guān)系的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒室入口來(lái)流參數(shù)的控制。在本文試驗(yàn)條件下，通過(guò)CHEMKIN軟件計(jì)算分析得到，燃燒室入口氣流中含有4.5%的H2O和2.3%的CO2，自由基含量微乎其微，可以忽略不計(jì)。

圖3為超聲速燃燒室試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)示意圖。試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎脝伟疾刍鹧娣€(wěn)定器，氫氣在凹槽內(nèi)垂直于壁面噴入燃燒室，煤油通過(guò)凹槽上游2個(gè)Φ0.35mm的噴嘴垂直噴入燃燒室。試驗(yàn)中火花塞首先點(diǎn)燃先鋒氫氣，煤油噴入后被先鋒氫氣點(diǎn)燃，氫氣關(guān)閉，煤油穩(wěn)定燃燒2s后試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕媳诿姘惭b35個(gè)量程為0～0.6MPa的壓力傳感器，其滿量程誤差為±0.25%，測(cè)量頻率為1500Hz。除了采集燃燒室沿程壁面壓力分布，還采用高速攝像技術(shù)拍攝了燃燒室凹槽位置的煤油燃燒可見(jiàn)光火焰圖像，拍攝頻率4000幀/s，曝光時(shí)間0.25ms，圖像分辨率512pixel×128pixel。煤油燃燒可見(jiàn)光火焰圖像可以轉(zhuǎn)換為一個(gè)基于亮度的二維矩陣，通過(guò)圖片亮度變化可以處理得到煤油燃燒可見(jiàn)光火焰邊界。本文給出的火焰圖像均采用煤油單獨(dú)燃燒后0.5～1.0s時(shí)間段的2000張高速圖像平均而得。圖4給出了純凈空氣來(lái)流條件下、當(dāng)量比為0.32時(shí)燃燒室模型凹槽位置的時(shí)均可見(jiàn)光火焰圖像。圖中白色斷續(xù)線為屏蔽干擾信號(hào)后，通過(guò)定義一個(gè)可見(jiàn)光亮度等值線得到的火焰或燃燒區(qū)邊界。對(duì)火焰邊界作進(jìn)一步處理，可以得到可見(jiàn)光火焰?zhèn)鞑ソ嵌?圖中黃色點(diǎn)劃線所示)，定義α為煤油燃燒火焰向主流傳播的角度。雖然高速攝像拍攝到的是可見(jiàn)光圖像，不能真實(shí)反應(yīng)煤油燃燒的反應(yīng)放熱區(qū)，但在一定程度上呈現(xiàn)了煤油燃燒區(qū)的位置。

2 結(jié)果與討論

圖5給出了在兩種加熱方式下冷流時(shí)燃燒室試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱爻瘫诿鎵毫Ψ植紝?duì)比(ERK)。考慮到試驗(yàn)來(lái)流中污染組分的存在會(huì)導(dǎo)致設(shè)備噴管出口(燃燒室入口)試驗(yàn)氣體的靜壓改變，為了更好地對(duì)比分析試驗(yàn)結(jié)果，燃燒室壁面壓力分布圖中的縱坐標(biāo)均采用燃燒室入口靜壓pin進(jìn)行無(wú)量綱化處理，橫坐標(biāo)采用燃燒室模型總長(zhǎng)度L進(jìn)行無(wú)量綱化處理。從圖5可以看出，在隔離段內(nèi)，超聲速氣流與隔離段壁面的摩擦造成了氣流速度下降，靜壓升高；進(jìn)入凹槽段后，由于實(shí)際流通面積先增大后減小，燃燒室壁面壓力表現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì)；在凹槽下游，氣流流通面積不斷增大，使超聲速氣流不斷加速，燃燒室壁面壓力呈下降趨勢(shì)。

圖6和7給出了不同煤油當(dāng)量比(ERK)、兩種加熱方式下的燃燒室沿程壁面壓力分布?？梢钥闯?，在不同當(dāng)量比下，純凈空氣來(lái)流和污染空氣來(lái)流的燃燒室壁面峰值壓力位置幾乎相同，均位于凹槽后緣處。在當(dāng)量比為0.22、純凈空氣來(lái)流時(shí)，隔離段出口/燃燒室入口的壁面壓力高于冷流時(shí)的壁面壓力，這表明較高的燃燒誘導(dǎo)壓升已經(jīng)導(dǎo)致邊界層分離，燃燒室內(nèi)形成激波串，激波串起始位置向上游移動(dòng)至隔離段內(nèi)；甲烷燃燒加熱來(lái)流時(shí)，燃燒室內(nèi)反壓未導(dǎo)致隔離段內(nèi)形成預(yù)燃激波串。隨著煤油當(dāng)量比增加，燃燒誘導(dǎo)壓升不斷升高并通過(guò)附面層向上游擾動(dòng)，最終導(dǎo)致預(yù)燃激波串不斷向上游移動(dòng)。在當(dāng)量比0.38、純凈空氣來(lái)流時(shí)，隔離段入口下游10mm位置處的壁面壓力高于冷流時(shí)的壁面壓力，表明此時(shí)燃燒室已經(jīng)達(dá)到富油工作極限。繼續(xù)增加煤油流量，激波串的起始位置將擾動(dòng)至隔離段入口之前，激波串進(jìn)入設(shè)備噴管。此時(shí)設(shè)備噴管出口馬赫數(shù)不再為2.0，也就是說(shuō)，設(shè)備噴管已經(jīng)不能正常工作。在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作過(guò)程中，這種激波串?dāng)_動(dòng)至隔離段入口的情況是不允許的，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法正常工作。對(duì)比甲烷燃燒加熱來(lái)流試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)量比為0.38時(shí)，燃燒室壁面峰值壓力相對(duì)于純凈空氣來(lái)流下降了0.27，隔離段內(nèi)激波串起始位置后移了25mm。

從圖6和7對(duì)比可以看出：相對(duì)于電阻加熱試驗(yàn)來(lái)流，在甲烷燃燒加熱試驗(yàn)來(lái)流條件下,隔離段出現(xiàn)激波串時(shí)對(duì)應(yīng)的當(dāng)量油氣比上升；相同當(dāng)量比時(shí)，甲烷燃燒加熱試驗(yàn)來(lái)流下的燃燒室壁面峰值壓力較低。在當(dāng)量比為0.22、0.28、0.32、0.35和0.38時(shí)，甲烷燃燒加熱來(lái)流條件下的燃燒室壓力峰值相對(duì)于純凈空氣來(lái)流分別下降了3.1%、5.4%、6.9%、5.0%和4.8%；同時(shí)，激波串起始位置相對(duì)于純凈空氣來(lái)流也表現(xiàn)出不同程度的后移。

在本文試驗(yàn)條件下產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因主要有兩點(diǎn)：(1)H2O和CO2作為反應(yīng)物直接參與點(diǎn)火反應(yīng)。邵菊香[18]、梁金虎[19]等開(kāi)展的研究結(jié)果表明，H2O和CO2污染組分對(duì)碳?xì)淙剂宵c(diǎn)火延遲時(shí)間的影響依賴于具體工況。在本文條件下，雖然在H2O+O=2OH反應(yīng)中，H2O表現(xiàn)出了對(duì)OH生成的促進(jìn)作用，但是H2O比N2具有更大的三體系數(shù)，H2O以第三體(M)身份直接參與H自由基的生成和消耗反應(yīng)(H+O2+M=HO2+M)以及HCO+M=H+CO+M反應(yīng)，二者總的反應(yīng)效果表現(xiàn)為H的生成速率降低。H生成速率的降低，進(jìn)一步通過(guò)反應(yīng)H+O2=OH+O和H+HO2=2OH降低了OH的生成速率。而CO2為多原子分子，具有較大的三體系數(shù)，CO2的存在同樣降低了H和OH的生成速率，并最終表現(xiàn)出對(duì)煤油點(diǎn)火的抑制作用。(2)H2O和CO2污染組分的存在，導(dǎo)致在甲烷燃燒加熱方式下的來(lái)流環(huán)境熱容增加。Würmel等[20]通過(guò)動(dòng)力學(xué)模擬證明，在燃燒化學(xué)反應(yīng)放熱過(guò)程中，環(huán)境熱容增加將使體系溫度升高的速率減慢，不利于后續(xù)鏈反應(yīng)加速發(fā)生。另外，環(huán)境熱容增加還將導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)速率降低，使燃燒反應(yīng)過(guò)程的溫度上升速率變慢，并反過(guò)來(lái)降低煤油燃燒化學(xué)反應(yīng)速率，最終表現(xiàn)為甲烷燃燒加熱方式下的反應(yīng)區(qū)位置后移。以上兩種影響因素互相耦合、互相促進(jìn)，最終產(chǎn)生前述試驗(yàn)現(xiàn)象。

從壁面壓力對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可以看出，污染組分對(duì)燃燒室性能存在明顯的影響。為了深入研究污染組分對(duì)煤油燃燒的影響，在兩種加熱方式下、相同煤油當(dāng)量比的對(duì)比試驗(yàn)中，采用高速攝像技術(shù)拍攝了燃燒室凹槽位置的可見(jiàn)光火焰圖像。圖8為純凈空氣來(lái)流時(shí)燃燒室凹槽位置的可見(jiàn)光火焰圖像。當(dāng)量比較小(ERK=0.105)時(shí)，可見(jiàn)光火焰很小，且主要分布于凹槽回流區(qū)底部。此時(shí)，凹槽回流區(qū)幾乎占據(jù)了整個(gè)凹槽，剪切層將主流和回流區(qū)分開(kāi)。煤油從凹槽上游噴入燃燒室之后，與來(lái)流空氣混合并與凹槽剪切層相互作用，從而被輸運(yùn)至凹槽剪切層和凹槽回流區(qū)內(nèi)。由于剪切層內(nèi)有著豐富的氧氣，剪切層上方的燃料不斷被輸運(yùn)至剪切層內(nèi)，所以燃燒的起始位置始終位于凹槽剪切層內(nèi)。煤油/空氣混氣在凹槽回流區(qū)內(nèi)充分燃燒、釋熱，其高溫燃燒產(chǎn)物不斷向凹槽剪切層提供熱量和自由基，從而縮短燃料的點(diǎn)火延遲時(shí)間。同時(shí)，剪切層內(nèi)必然存在一個(gè)位置，此處的火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c氣流速度相等，即火焰基底(Flame base)位置。由于湍流脈動(dòng)的存在，火焰基底呈現(xiàn)出一定程度的脈動(dòng)，但其會(huì)迅速調(diào)整位置并達(dá)到新的平衡。當(dāng)量比為0.105時(shí)，火焰基底距離凹槽前緣大約32mm。

隨著煤油當(dāng)量比增大，其噴射壓力增大，煤油/空氣來(lái)流動(dòng)量比增大，煤油穿透深度增加，煤油與來(lái)流空氣混合更加充分。當(dāng)量比0.22時(shí)，火焰基底位置比當(dāng)量比0.105時(shí)向上游移動(dòng)了10mm，同時(shí)燃燒火焰長(zhǎng)度變長(zhǎng)，幾乎充滿整個(gè)凹槽的回流區(qū)部分。繼續(xù)增加當(dāng)量比至0.28時(shí)，燃燒火焰亮度提高，火焰基底繼續(xù)向前移動(dòng)了9mm左右，燃燒火焰向主流傳播高度增加，但燃燒反應(yīng)區(qū)仍主要集中在凹槽內(nèi)。當(dāng)量比0.32時(shí)，燃料/空氣來(lái)流動(dòng)量比增加，煤油噴射高度增加，更多煤油與主流氣流摻混后進(jìn)入主流。此時(shí)凹槽內(nèi)燃燒引起的壓升迫使凹槽剪切層向主流偏轉(zhuǎn)，同時(shí)其火焰與高溫產(chǎn)物進(jìn)入主流并點(diǎn)燃了主流內(nèi)的煤油/空氣混氣。當(dāng)量比0.35時(shí)，更高的噴射壓力使得煤油噴射高度繼續(xù)增加，火焰基底向上游移動(dòng)至距離凹槽前緣5mm的位置，燃燒反應(yīng)區(qū)域明顯擴(kuò)大，幾乎占據(jù)了整個(gè)流道高度的一半。當(dāng)量比增加至0.38(即燃燒室富油極限)，煤油燃燒火焰基底位置緊貼凹槽前緣點(diǎn)，可見(jiàn)光火焰長(zhǎng)度、向主流傳播的高度更大。

圖9為甲烷燃燒加熱來(lái)流煤油燃燒可見(jiàn)光火焰圖像。與純凈空氣來(lái)流可見(jiàn)光火焰圖像對(duì)比發(fā)現(xiàn)：相同當(dāng)量比條件下，甲烷燃燒加熱來(lái)流時(shí)的可見(jiàn)光火焰基底位置相對(duì)靠后，燃燒火焰區(qū)更小。當(dāng)量比較小(ERK=0.135)時(shí)，與純凈空氣來(lái)流情況相似，煤油燃燒火焰區(qū)域很小，且主要分布在凹槽回流區(qū)底部，但火焰基底位置更靠后。與純凈空氣來(lái)流相比，在相同當(dāng)量比下，污染來(lái)流的煤油/空氣來(lái)流動(dòng)量比相差不大，因此相同當(dāng)量比下的煤油穿透深度的差別可以忽略不計(jì)。隨著當(dāng)量比上升，可見(jiàn)光燃燒火焰區(qū)域變大，火焰基底位置向上游移動(dòng)(如圖10所示)。煤油當(dāng)量比為0.22、0.28和0.32時(shí)，火焰基底位置分別位于凹槽前緣下游25、15和9mm處，相對(duì)于純凈空氣來(lái)流分別后移了3、2和2mm;當(dāng)量比增加至0.35及以上時(shí)，火焰基底位置基本與純凈空氣相同，但是煤油燃燒火焰區(qū)域相對(duì)于純凈空氣有著不同程度的縮小。

從圖8和9可以看出，兩種加熱方式下的煤油燃燒火焰穩(wěn)定模式均為凹槽火焰穩(wěn)定模式，火焰基底穩(wěn)定于凹槽剪切層內(nèi)，火焰前鋒以相對(duì)固定的角度向主流傳播。對(duì)圖8和9的可見(jiàn)光圖像作進(jìn)一步處理，可以得到各狀態(tài)下的可見(jiàn)光火焰?zhèn)鞑ソ嵌圈?。圖11為電阻加熱和甲烷燃燒加熱來(lái)流時(shí)不同煤油當(dāng)量比下的煤油燃燒火焰?zhèn)鞑ソ嵌龋瑱M坐標(biāo)為煤油當(dāng)量比，縱坐標(biāo)為火焰?zhèn)鞑ソ嵌??？梢钥闯觯弘S著煤油當(dāng)量比上升，火焰?zhèn)鞑ソ嵌炔粩嘧兇?，且在小?dāng)量比時(shí)變化速率更快，較大當(dāng)量比時(shí)變化速率相對(duì)較??；與電阻加熱試驗(yàn)來(lái)流相比，甲烷燃燒加熱來(lái)流下的火焰?zhèn)鞑ソ嵌雀?。與電阻加熱方式的純凈空氣來(lái)流相比，在采用甲烷燃燒加熱器產(chǎn)生污染空氣來(lái)流時(shí)，煤油燃燒向主流的傳播角度下降了7.1%～12.4%。

綜合以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，兩種試驗(yàn)來(lái)流加熱方式下的煤油燃燒可見(jiàn)光火焰圖像存在很大差別，產(chǎn)生差別的主要原因是甲烷燃燒加熱來(lái)流中包含純凈空氣中不存在的污染組分(H2O、CO2以及微量自由基)。污染組分的存在不僅延長(zhǎng)了煤油點(diǎn)火延遲時(shí)間，而且降低了煤油燃燒的絕熱火焰溫度[11]。點(diǎn)火延遲時(shí)間的延長(zhǎng)和燃燒溫度的降低進(jìn)一步導(dǎo)致了燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俾实慕档?。假設(shè)火焰前鋒上游的氣流速度一定，火焰前鋒的傳播速度正比于傳播角度α。根據(jù)圖6和7給出的燃燒室壁面壓力分布可知，相同當(dāng)量比時(shí)，甲烷加熱方式下的激波串起始位置靠后，因此可見(jiàn)光火焰前鋒位置的氣流速度更快。氣流速度的增大和火焰?zhèn)鞑ニ俾实慕档?，均?huì)導(dǎo)致煤油燃燒火焰向主流傳播的角度降低，并最終導(dǎo)致上述試驗(yàn)結(jié)果。

3 結(jié) 論

本文研究了試驗(yàn)來(lái)流加熱方式對(duì)煤油燃料超聲速燃燒室燃燒特性的影響。在對(duì)比試驗(yàn)中，基于電阻加熱和甲烷燃燒加熱直連式試驗(yàn)系統(tǒng)，采用高速攝像技術(shù)拍攝了不同加熱的超聲速燃燒室煤油燃燒可見(jiàn)光火焰圖像。與電阻加熱方式下的試驗(yàn)來(lái)流相比，甲烷燃燒加熱來(lái)流中含有H2O、CO2等主要污染組分(摩爾分?jǐn)?shù)分別為4.5%、2.3%)以及微量OH、H、CH等自由基。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果顯示：與純凈空氣來(lái)流相比，甲烷燃燒加熱來(lái)流條件下的燃燒室壁面壓力更低，其下降程度最大可達(dá)6.9%。結(jié)合高速攝像發(fā)現(xiàn)：相比于純凈空氣來(lái)流，甲烷燃燒加熱來(lái)流時(shí)的煤油火焰?zhèn)鞑ソ嵌认陆盗?.1%～12.4%。