等離子體強(qiáng)化混合燃?xì)馊紵芯?/h1>
2018-04-29 00:00:00紀(jì)海龍馮喜平
河南科技 2018年10期
摘 要：為驗(yàn)證等離子體對(duì)固沖發(fā)動(dòng)機(jī)中氣相組分燃燒的強(qiáng)化特性，通過(guò)建立等離子體助燃理論模型，對(duì)有無(wú)等離子體條件下的混合燃?xì)庠诠虥_補(bǔ)燃室中的燃燒過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明：在燃燒室中加入等離子體后，有效促進(jìn)了混合燃?xì)獾逆準(zhǔn)椒磻?yīng)，縮短了燃燒時(shí)間；等離子體顯著提高了混合燃?xì)獾娜紵?，燃燒效率增加?6.6%。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，數(shù)值計(jì)算結(jié)果誤差在10%以?xún)?nèi)，說(shuō)明所建立的理論模型較為準(zhǔn)確地模擬了混合燃?xì)馊紵^(guò)程，具有一定的可靠性。
關(guān)鍵詞：等離子體；混合燃?xì)?；固沖發(fā)動(dòng)機(jī)；燃燒效率
中圖分類(lèi)號(hào)：V35.12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）10-0139-04
Study on the Plasma Enhancing Combustion of Mixed Gas
JI Hailong1 FENG Xiping2
（1. China Airborne Missile Academy，Luoyang Henan 471009；2.Key Laboratory of Combustion， Flow and Thermal-Structure， Northwestern Polytechnical University，Xi’an Shaanxi 710072）
Abstract： In order to verify the enhancement characteristics of plasma in gas-phase combustion of the solid ramjet rocket， Numerical and experimental studies were carried out by establishing a theoretical model of plasma-assisted combustion. The result indicated that： the addition of plasma in the combustion chamber effectively promoted the chain reaction of the mixed gas and shortens the burning time； the plasma significantly increased the combustion efficiency of the mixed gas， and the combustion efficiency increased by 16.6%.Compared with the experimental results， the error of numerical calculation was less than 10% which indicated that the theoretical model was relative accurately simulate the combustion process of mixed gas and has a certain reliability.
Keywords： plasma；mixed gas；the solid ramjet rocket；the combustion efficiency
相比于鎂、鋁等金屬，硼是固沖發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑的理想高能組分。但是，硼表面往往存在一層致密的氧化層B2O3，且硼粒子具有較高的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)，使得硼顆粒點(diǎn)火燃燒困難，抑制著硼所含能量的有效釋放，這對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)是非常不利的[1，2]。目前，改善硼點(diǎn)火和燃燒的措施主要有調(diào)整燃燒室結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)推進(jìn)劑配方和硼粒子包覆等。但是，這些措施均會(huì)帶來(lái)新的問(wèn)題[3-6]。
等離子體助燃技術(shù)是一種極具潛力的動(dòng)力學(xué)強(qiáng)化方式[5，7]。早在20世紀(jì)80年代，等離子體助燃技術(shù)就被用于解決超音速燃燒中的點(diǎn)火困難和不完全燃燒等問(wèn)題。2003年，Lou等[8]人研究發(fā)現(xiàn)，等離子體可以加快乙烷/氧化物的反應(yīng)速率，提高熱量的釋放速度。2011年，Sergey B.Leonov等[9]通過(guò)等離子體助燃技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了在高馬赫氣流下CH4/H2/空氣的點(diǎn)火，并使混合火焰穩(wěn)定燃燒。2014年，宋振興[10]等人研究了等離子體助燃的動(dòng)力學(xué)機(jī)理，得到氮系和氧系粒子濃度在不同放電時(shí)間和頻率條件下的變化規(guī)律。
等離子體助燃技術(shù)發(fā)展迅速，主要用于航空航天所涉及的超音速燃燒領(lǐng)域，在固沖發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用鮮有報(bào)道。由于固沖發(fā)動(dòng)機(jī)含硼富燃燃?xì)獠粌H含有氣相組分，而且含有固體顆粒，研究難度較大。因此，本文先以固沖發(fā)動(dòng)機(jī)一次燃?xì)庵械臍庀嘟M分為研究對(duì)象，通過(guò)數(shù)值計(jì)算和點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證等離子體對(duì)補(bǔ)燃室中混合燃?xì)馊紵膹?qiáng)化特性，以此為后續(xù)的等離子助燃含硼混合燃?xì)鈱?shí)驗(yàn)和理論研究提供理論支撐。
1 數(shù)學(xué)物理模型
1.1 基本假設(shè)
補(bǔ)燃室中混合燃?xì)馊紵鲃?dòng)非常復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在計(jì)算過(guò)程中進(jìn)行如下簡(jiǎn)化：①混合燃?xì)鉃槔硐霘怏w，滿(mǎn)足理想氣體的狀態(tài)方程，不考慮輻射換熱和體積力；②認(rèn)為燃?xì)馀c壁面無(wú)熱交換，燃?xì)饬鲃?dòng)為絕熱準(zhǔn)定常流動(dòng)；③混合燃?xì)庵胁豢扇紵蛸|(zhì)量分?jǐn)?shù)小的成分用氮?dú)獯妗?/p>
1.2 控制方程
控制方程為笛卡爾坐標(biāo)系下的Navier Stokes方程，其形式為：
[?Q?t+?E?x+?F?y+?G?z=?Hx?x+?Hy?y+?Hz?z+I] （1）
其中，[Hx]、[Hy]、[Hz]為粘性通量，[I]為源項(xiàng)，Q、E、F、G等參數(shù)具體意義可以參考相關(guān)流體力學(xué)文獻(xiàn)。
1.3 燃燒模型
混合燃?xì)馀c空氣的反應(yīng)具備一般同心射流火焰的特征，燃燒室前半段同時(shí)存在層流和湍流，后段充分發(fā)展為湍流，因此燃燒模型采用有限速率/渦耗散模型描述。
1.4 等離子體助燃模型
為了方便計(jì)算，將等離子體以源項(xiàng)（若干自由基）的形式加入燃燒室中，且保證均勻分布。將等離子體作為源項(xiàng)引入Navier Stokes控制方程中，可得出：
[??tρE+??xiuiρE+p=??xikeff?T?xi-j'h'jJ'j+uj（τij）eff] （2）
其中，[keff]為傳熱系數(shù)；[J'j]為擴(kuò)散流量、[h'j]為顯焓；[ui]，[uj]分別速度分量?；钚曰拿芏茸兓捎肂oltzmann零階矩方程表示；動(dòng)量和能量方程分別采用Boltzmann一階矩和二階矩方程表示。
1.5 物理模型
補(bǔ)燃室中混合燃?xì)馊紵鲃?dòng)非常復(fù)雜。為了突出補(bǔ)燃室中的湍流擴(kuò)散燃燒火焰，建立了如圖1所示的物理模型，混合燃?xì)庥砷L(zhǎng)尾管進(jìn)入補(bǔ)燃室，空氣由燃?xì)馊肟谕獠康沫h(huán)形入口進(jìn)入，等離子體從距離燃?xì)獬隹?5mm處以源項(xiàng)添加，產(chǎn)生的尾氣由噴管出口排出。
1.6 邊界條件
以同等條件下通過(guò)固沖燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)得到的一次燃?xì)庵饕M分作為計(jì)算輸入的混合燃?xì)饨M分，燃?xì)饩唧w成分及比例如表1所示?；旌先?xì)饬髁繛?.01kg/s，空氣流量為0.3kg/s，等離子體工質(zhì)流量為0.001kg/s，具體邊界條件如表2所示。
2 計(jì)算結(jié)果
圖2（a）和圖2（b）分別為未加等離子體和加活性基后燃燒溫度分布云圖。從圖2可知，兩種工況下的燃燒室火焰形狀基本相同，均呈紡錘形，具有縱向受限擴(kuò)散火焰結(jié)構(gòu)的一般特征；混合火焰最高溫度在燃燒室前部，靠近混合燃?xì)獬隹谖恢?，最低溫度為?lái)流空氣溫度300K。對(duì)比圖2（a）與圖2（b）兩種工況可知，燃燒室中加入等離子體后會(huì)對(duì)混合燃?xì)猱a(chǎn)生積極影響，火焰最高溫度為2 600K，明顯高于圖2（a）中未加等離子工況的2 300K，且火焰鋒面沿縱向變寬。這主要是因?yàn)榛钚粤Ｗ诱T發(fā)了混合燃?xì)馀c空氣之間的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，加快了混合燃?xì)獾姆磻?yīng)，釋放了更多熱量。
圖3（a）和圖3（b）分別為未加等離子體和加活性基燃燒室壓力分布云圖。從圖3可以看出，兩種工況下的燃燒室壓力分布均勻，只在噴管處壓力變化較大。燃燒室中加入活性粒子后，壓強(qiáng)為0.225MPa，與未加等離子體工況燃燒室壓強(qiáng)0.161MPa相比，提高了39%?？梢?jiàn)，等離子體會(huì)對(duì)混合燃?xì)猱a(chǎn)生積極影響，提高了混合燃?xì)獾娜紵省?/p>
圖4為未加等離子體和加活性基兩種工況下燃燒室中OH濃度沿軸線(xiàn)變化曲線(xiàn)。從圖4可知，兩種工況下的OH濃度變化趨勢(shì)基本相同，均在距離燃?xì)馊肟谔幖s0.3m達(dá)到最大，然后約在0.44m處降低為0。這說(shuō)明混合燃?xì)庠谌紵仪鞍氩糠旨匆讶紵耆?。需要說(shuō)明的是，圖中顯示的加等離子體工況下OH濃度已經(jīng)除去了由外部加入的那部分OH自由基。可以看出，該工況下OH濃度明顯高于未加等離子工況燃燒室中的OH濃度。這是因?yàn)榧尤隣等活性粒子后，會(huì)與H2和CH4等燃?xì)饪焖俜磻?yīng)（O+H2=OH+H，H+HO2=2OH，O+CH4=CH3+OH等），促進(jìn)了混合燃?xì)馊紵準(zhǔn)椒磻?yīng)，加快了反應(yīng)進(jìn)程。OH濃度顯著增加，混合燃?xì)馊紵耆笥纸档蜑?。OH被認(rèn)為是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的活化中心，OH濃度增加也從另一個(gè)方面說(shuō)明等離子體對(duì)混合燃?xì)馊紵哂袕?qiáng)化作用。
3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)條件
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由燃燒室、來(lái)流模擬系統(tǒng)、混合燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)、等離子體系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)以及火焰拍攝裝置等組成，燃燒實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。實(shí)驗(yàn)工況包括混合燃?xì)獬煞帧⒑康葏?shù)與仿真邊界條件相同，其中來(lái)流空氣流量為0.3kg/s，總溫為300K，總壓為0.27MPa；混合燃?xì)饬髁繛?.01kg/s，相應(yīng)空燃比為30?；旌先?xì)庥蓛?chǔ)氣瓶經(jīng)管路輸送到燃?xì)獍l(fā)生器中，在燃燒室中與來(lái)流空氣發(fā)生擴(kuò)散燃燒，燃燒產(chǎn)物經(jīng)尾噴管排出。
3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)混合燃?xì)庠谌紵抑械幕鹧孢M(jìn)行了拍攝，如圖6所示。其中，圖6（a）是未加等離子體混合燃?xì)馊紵鹧?，圖6（b）是加入等離子體后混合燃?xì)馊紵鹧?。從圖6可知，未加等離子體時(shí)，燃燒火焰呈淡藍(lán)色，火焰鋒面細(xì)長(zhǎng)且沿補(bǔ)燃室軸線(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布。而加入等離子體后，火焰呈亮黃色，在燃燒室前半部分產(chǎn)生熾熱的高溫區(qū)，火焰鋒面明顯變寬，噴管尾部并沒(méi)有火焰噴出。這說(shuō)明在燃燒室中加入等離子體后，有效提高了混合燃?xì)獾娜紵剩細(xì)庠谌紵抑幸呀?jīng)燃燒完全，縮短了燃?xì)馊紵龝r(shí)間。
混合燃?xì)庥扇細(xì)夤┙o系統(tǒng)經(jīng)管路輸送到燃?xì)獍l(fā)生器中。采集燃?xì)獍l(fā)生器中的壓強(qiáng)可知，穩(wěn)定供給時(shí)，燃?xì)獍l(fā)生器壓力曲線(xiàn)如圖7所示，燃?xì)獍l(fā)生器工作壓強(qiáng)基本保持不變，為0.711MPa，說(shuō)明燃?xì)饬髁糠€(wěn)定在0.01kg/s左右。為了避免空氣來(lái)流參數(shù)和混合燃?xì)鈪?shù)的差異對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，在一次點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)中采取離子體放電5s后，切斷等離子體電源，持續(xù)10s后再次打開(kāi)等離子體電源。以等離子體開(kāi)啟和關(guān)閉為一個(gè)周期，共進(jìn)行三個(gè)周期的方案。圖7中突出的三個(gè)峰尖為等離子體放電瞬間產(chǎn)生的噪點(diǎn)。
對(duì)燃燒室軸向四個(gè)不同位置進(jìn)行了總壓和靜壓采集，其中總壓結(jié)果如圖8所示。在數(shù)據(jù)記錄的前幾秒因混合燃?xì)獠⑽袋c(diǎn)火，燃燒室壓力維持在0.118MPa；混合燃?xì)獗稽c(diǎn)燃后，燃燒室壓力上升到0.152MPa，并維持穩(wěn)定；2s后，等離子體開(kāi)啟，燃燒室壓力瞬間上升到0.205MPa，并保持穩(wěn)定；5s后，等離子激勵(lì)電源關(guān)閉，壓力又降低為0.118MPa后維持穩(wěn)定。此次實(shí)驗(yàn)中共添加了三次等離子體，等離子體電源開(kāi)啟或關(guān)閉燃燒室壓力均會(huì)產(chǎn)生0.053MPa壓力變化。這說(shuō)明等離子體對(duì)混合燃?xì)獾娜紵a(chǎn)生了積極影響，提高了燃燒效率和燃燒室的壓力。實(shí)驗(yàn)中未加等離子體工況和加等離子體工況下的燃燒室壓強(qiáng)分別為0.152MPa和0.205MPa，對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果分別為0.161MPa和0.225MPa，誤差分別為5.5%和8.8%，均在9%以?xún)?nèi)?？傮w來(lái)說(shuō)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以滿(mǎn)足一定的精度要求，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相符。
對(duì)實(shí)驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，處理結(jié)果如表3所示。實(shí)驗(yàn)中，由燃燒室總壓計(jì)算得到未加等離子體和加等離子體工況下實(shí)驗(yàn)特征速度分別為485.1m/s和638.1m/s，對(duì)應(yīng)的燃燒效率分別為52.53%和69.13%，在該放電功率下（8kW）燃燒效率增加了16.6%。
4 結(jié)論
本文以固沖發(fā)動(dòng)機(jī)中一次燃?xì)獾臍庀嘟M分作為研究對(duì)象，對(duì)有無(wú)等離子條件下的燃燒過(guò)程進(jìn)行了仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究，具體可得出以下結(jié)論。
①等離子體（無(wú)論是熱效應(yīng)還是化學(xué)效應(yīng)）能夠促進(jìn)混合燃?xì)庠诠虥_燃燒室中燃燒的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，加快了反應(yīng)進(jìn)程，縮短了混合燃?xì)馊紵玫臅r(shí)間，說(shuō)明等離子體可以縮短混合燃?xì)馊紵璧娜紵议L(zhǎng)度。
②燃燒室中加入等離子體后，顯著增加了混合燃?xì)獾娜紵?。在等離子體助燃混合燃?xì)鈱?shí)驗(yàn)中，燃燒效率從52.53%提高到了69.13%，驗(yàn)證了等離子體對(duì)混合燃?xì)饩哂袕?qiáng)化作用。
③所建立的理論模型較為真實(shí)低模擬了混合燃?xì)馊紵^(guò)程，誤差在9%以?xún)?nèi)，具有一定的可靠性。
參考文獻(xiàn)：
[1]湯中權(quán)，王銳鑫.含硼固體推進(jìn)劑[J].化學(xué)推進(jìn)劑與高分子材料，1998（3）：40-42.
[2]劉運(yùn)飛，張偉，謝五喜，等.高能固體推進(jìn)劑的研究進(jìn)展[J].飛航導(dǎo)彈，2014（9）：93-96.
[3]席劍飛，劉建忠，李和平，等.促進(jìn)硼顆粒點(diǎn)火和燃燒的方法的研究進(jìn)展[J].含能材料，2013（4）：533-538.
[4] Helmut K C， Joachim S， Walter C， et al. Combustion of solid-fuel slabs containing boron particles in step combustor [J]. Journal of Propulsion and Power， 2003（6）：1180-1191.
[5]Ju Y.Recent progress and challenges in fundamental combustion research[J]. Advances in Mechanics，2014（20）：26-97.
[6]王克強(qiáng)，莫紅軍.貧氧推進(jìn)劑的研究發(fā)展方向[J].飛航導(dǎo)彈，2005（11）：54-57.
[7]Starikovskiy A， Aleksandrov N. Plasma-assisted ignition and combustion[J]. Progress in Energy and Combustion Science，2013（1）：61-110.
[8] Rao X，Hemawan K，Carter C，et al. Plasma Enhanced Combustion using Microwave Energy Coupling in a Re-entrant Cavity Applicator[C]// Aiaa Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. 2010.
[9] Leonov S V， Kochetov I V， Napartovich A P， et al. Plasma-induced ethylene ignition and flame holding in confined supersonic air flow at low temperatures[J]. IEEE Transactions on Plasma Science，2011（2）： 781-787.
[10]宋文艷，劉偉雄，賀偉，等.超聲速燃燒室等離子體點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2006（4）：20-24.
摘 要：為驗(yàn)證等離子體對(duì)固沖發(fā)動(dòng)機(jī)中氣相組分燃燒的強(qiáng)化特性，通過(guò)建立等離子體助燃理論模型，對(duì)有無(wú)等離子體條件下的混合燃?xì)庠诠虥_補(bǔ)燃室中的燃燒過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明：在燃燒室中加入等離子體后，有效促進(jìn)了混合燃?xì)獾逆準(zhǔn)椒磻?yīng)，縮短了燃燒時(shí)間；等離子體顯著提高了混合燃?xì)獾娜紵?，燃燒效率增加?6.6%。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，數(shù)值計(jì)算結(jié)果誤差在10%以?xún)?nèi)，說(shuō)明所建立的理論模型較為準(zhǔn)確地模擬了混合燃?xì)馊紵^(guò)程，具有一定的可靠性。
關(guān)鍵詞：等離子體；混合燃?xì)?；固沖發(fā)動(dòng)機(jī)；燃燒效率
中圖分類(lèi)號(hào)：V35.12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）10-0139-04
Study on the Plasma Enhancing Combustion of Mixed Gas
JI Hailong1 FENG Xiping2
（1. China Airborne Missile Academy，Luoyang Henan 471009；2.Key Laboratory of Combustion， Flow and Thermal-Structure， Northwestern Polytechnical University，Xi’an Shaanxi 710072）
Abstract： In order to verify the enhancement characteristics of plasma in gas-phase combustion of the solid ramjet rocket， Numerical and experimental studies were carried out by establishing a theoretical model of plasma-assisted combustion. The result indicated that： the addition of plasma in the combustion chamber effectively promoted the chain reaction of the mixed gas and shortens the burning time； the plasma significantly increased the combustion efficiency of the mixed gas， and the combustion efficiency increased by 16.6%.Compared with the experimental results， the error of numerical calculation was less than 10% which indicated that the theoretical model was relative accurately simulate the combustion process of mixed gas and has a certain reliability.
Keywords： plasma；mixed gas；the solid ramjet rocket；the combustion efficiency
相比于鎂、鋁等金屬，硼是固沖發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑的理想高能組分。但是，硼表面往往存在一層致密的氧化層B2O3，且硼粒子具有較高的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)，使得硼顆粒點(diǎn)火燃燒困難，抑制著硼所含能量的有效釋放，這對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)是非常不利的[1，2]。目前，改善硼點(diǎn)火和燃燒的措施主要有調(diào)整燃燒室結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)推進(jìn)劑配方和硼粒子包覆等。但是，這些措施均會(huì)帶來(lái)新的問(wèn)題[3-6]。
等離子體助燃技術(shù)是一種極具潛力的動(dòng)力學(xué)強(qiáng)化方式[5，7]。早在20世紀(jì)80年代，等離子體助燃技術(shù)就被用于解決超音速燃燒中的點(diǎn)火困難和不完全燃燒等問(wèn)題。2003年，Lou等[8]人研究發(fā)現(xiàn)，等離子體可以加快乙烷/氧化物的反應(yīng)速率，提高熱量的釋放速度。2011年，Sergey B.Leonov等[9]通過(guò)等離子體助燃技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了在高馬赫氣流下CH4/H2/空氣的點(diǎn)火，并使混合火焰穩(wěn)定燃燒。2014年，宋振興[10]等人研究了等離子體助燃的動(dòng)力學(xué)機(jī)理，得到氮系和氧系粒子濃度在不同放電時(shí)間和頻率條件下的變化規(guī)律。
等離子體助燃技術(shù)發(fā)展迅速，主要用于航空航天所涉及的超音速燃燒領(lǐng)域，在固沖發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用鮮有報(bào)道。由于固沖發(fā)動(dòng)機(jī)含硼富燃燃?xì)獠粌H含有氣相組分，而且含有固體顆粒，研究難度較大。因此，本文先以固沖發(fā)動(dòng)機(jī)一次燃?xì)庵械臍庀嘟M分為研究對(duì)象，通過(guò)數(shù)值計(jì)算和點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證等離子體對(duì)補(bǔ)燃室中混合燃?xì)馊紵膹?qiáng)化特性，以此為后續(xù)的等離子助燃含硼混合燃?xì)鈱?shí)驗(yàn)和理論研究提供理論支撐。
1 數(shù)學(xué)物理模型
1.1 基本假設(shè)
補(bǔ)燃室中混合燃?xì)馊紵鲃?dòng)非常復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在計(jì)算過(guò)程中進(jìn)行如下簡(jiǎn)化：①混合燃?xì)鉃槔硐霘怏w，滿(mǎn)足理想氣體的狀態(tài)方程，不考慮輻射換熱和體積力；②認(rèn)為燃?xì)馀c壁面無(wú)熱交換，燃?xì)饬鲃?dòng)為絕熱準(zhǔn)定常流動(dòng)；③混合燃?xì)庵胁豢扇紵蛸|(zhì)量分?jǐn)?shù)小的成分用氮?dú)獯妗?/p>
1.2 控制方程
控制方程為笛卡爾坐標(biāo)系下的Navier Stokes方程，其形式為：
[?Q?t+?E?x+?F?y+?G?z=?Hx?x+?Hy?y+?Hz?z+I] （1）
其中，[Hx]、[Hy]、[Hz]為粘性通量，[I]為源項(xiàng)，Q、E、F、G等參數(shù)具體意義可以參考相關(guān)流體力學(xué)文獻(xiàn)。
1.3 燃燒模型
混合燃?xì)馀c空氣的反應(yīng)具備一般同心射流火焰的特征，燃燒室前半段同時(shí)存在層流和湍流，后段充分發(fā)展為湍流，因此燃燒模型采用有限速率/渦耗散模型描述。
1.4 等離子體助燃模型
為了方便計(jì)算，將等離子體以源項(xiàng)（若干自由基）的形式加入燃燒室中，且保證均勻分布。將等離子體作為源項(xiàng)引入Navier Stokes控制方程中，可得出：
[??tρE+??xiuiρE+p=??xikeff?T?xi-j'h'jJ'j+uj（τij）eff] （2）
其中，[keff]為傳熱系數(shù)；[J'j]為擴(kuò)散流量、[h'j]為顯焓；[ui]，[uj]分別速度分量?；钚曰拿芏茸兓捎肂oltzmann零階矩方程表示；動(dòng)量和能量方程分別采用Boltzmann一階矩和二階矩方程表示。
1.5 物理模型
補(bǔ)燃室中混合燃?xì)馊紵鲃?dòng)非常復(fù)雜。為了突出補(bǔ)燃室中的湍流擴(kuò)散燃燒火焰，建立了如圖1所示的物理模型，混合燃?xì)庥砷L(zhǎng)尾管進(jìn)入補(bǔ)燃室，空氣由燃?xì)馊肟谕獠康沫h(huán)形入口進(jìn)入，等離子體從距離燃?xì)獬隹?5mm處以源項(xiàng)添加，產(chǎn)生的尾氣由噴管出口排出。
1.6 邊界條件
以同等條件下通過(guò)固沖燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)得到的一次燃?xì)庵饕M分作為計(jì)算輸入的混合燃?xì)饨M分，燃?xì)饩唧w成分及比例如表1所示?；旌先?xì)饬髁繛?.01kg/s，空氣流量為0.3kg/s，等離子體工質(zhì)流量為0.001kg/s，具體邊界條件如表2所示。
2 計(jì)算結(jié)果
圖2（a）和圖2（b）分別為未加等離子體和加活性基后燃燒溫度分布云圖。從圖2可知，兩種工況下的燃燒室火焰形狀基本相同，均呈紡錘形，具有縱向受限擴(kuò)散火焰結(jié)構(gòu)的一般特征；混合火焰最高溫度在燃燒室前部，靠近混合燃?xì)獬隹谖恢?，最低溫度為?lái)流空氣溫度300K。對(duì)比圖2（a）與圖2（b）兩種工況可知，燃燒室中加入等離子體后會(huì)對(duì)混合燃?xì)猱a(chǎn)生積極影響，火焰最高溫度為2 600K，明顯高于圖2（a）中未加等離子工況的2 300K，且火焰鋒面沿縱向變寬。這主要是因?yàn)榛钚粤Ｗ诱T發(fā)了混合燃?xì)馀c空氣之間的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，加快了混合燃?xì)獾姆磻?yīng)，釋放了更多熱量。
圖3（a）和圖3（b）分別為未加等離子體和加活性基燃燒室壓力分布云圖。從圖3可以看出，兩種工況下的燃燒室壓力分布均勻，只在噴管處壓力變化較大。燃燒室中加入活性粒子后，壓強(qiáng)為0.225MPa，與未加等離子體工況燃燒室壓強(qiáng)0.161MPa相比，提高了39%?？梢?jiàn)，等離子體會(huì)對(duì)混合燃?xì)猱a(chǎn)生積極影響，提高了混合燃?xì)獾娜紵省?/p>
圖4為未加等離子體和加活性基兩種工況下燃燒室中OH濃度沿軸線(xiàn)變化曲線(xiàn)。從圖4可知，兩種工況下的OH濃度變化趨勢(shì)基本相同，均在距離燃?xì)馊肟谔幖s0.3m達(dá)到最大，然后約在0.44m處降低為0。這說(shuō)明混合燃?xì)庠谌紵仪鞍氩糠旨匆讶紵耆?。需要說(shuō)明的是，圖中顯示的加等離子體工況下OH濃度已經(jīng)除去了由外部加入的那部分OH自由基。可以看出，該工況下OH濃度明顯高于未加等離子工況燃燒室中的OH濃度。這是因?yàn)榧尤隣等活性粒子后，會(huì)與H2和CH4等燃?xì)饪焖俜磻?yīng)（O+H2=OH+H，H+HO2=2OH，O+CH4=CH3+OH等），促進(jìn)了混合燃?xì)馊紵準(zhǔn)椒磻?yīng)，加快了反應(yīng)進(jìn)程。OH濃度顯著增加，混合燃?xì)馊紵耆笥纸档蜑?。OH被認(rèn)為是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的活化中心，OH濃度增加也從另一個(gè)方面說(shuō)明等離子體對(duì)混合燃?xì)馊紵哂袕?qiáng)化作用。
3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)條件
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由燃燒室、來(lái)流模擬系統(tǒng)、混合燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)、等離子體系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)以及火焰拍攝裝置等組成，燃燒實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。實(shí)驗(yàn)工況包括混合燃?xì)獬煞帧⒑康葏?shù)與仿真邊界條件相同，其中來(lái)流空氣流量為0.3kg/s，總溫為300K，總壓為0.27MPa；混合燃?xì)饬髁繛?.01kg/s，相應(yīng)空燃比為30?；旌先?xì)庥蓛?chǔ)氣瓶經(jīng)管路輸送到燃?xì)獍l(fā)生器中，在燃燒室中與來(lái)流空氣發(fā)生擴(kuò)散燃燒，燃燒產(chǎn)物經(jīng)尾噴管排出。
3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)混合燃?xì)庠谌紵抑械幕鹧孢M(jìn)行了拍攝，如圖6所示。其中，圖6（a）是未加等離子體混合燃?xì)馊紵鹧?，圖6（b）是加入等離子體后混合燃?xì)馊紵鹧?。從圖6可知，未加等離子體時(shí)，燃燒火焰呈淡藍(lán)色，火焰鋒面細(xì)長(zhǎng)且沿補(bǔ)燃室軸線(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布。而加入等離子體后，火焰呈亮黃色，在燃燒室前半部分產(chǎn)生熾熱的高溫區(qū)，火焰鋒面明顯變寬，噴管尾部并沒(méi)有火焰噴出。這說(shuō)明在燃燒室中加入等離子體后，有效提高了混合燃?xì)獾娜紵剩細(xì)庠谌紵抑幸呀?jīng)燃燒完全，縮短了燃?xì)馊紵龝r(shí)間。
混合燃?xì)庥扇細(xì)夤┙o系統(tǒng)經(jīng)管路輸送到燃?xì)獍l(fā)生器中。采集燃?xì)獍l(fā)生器中的壓強(qiáng)可知，穩(wěn)定供給時(shí)，燃?xì)獍l(fā)生器壓力曲線(xiàn)如圖7所示，燃?xì)獍l(fā)生器工作壓強(qiáng)基本保持不變，為0.711MPa，說(shuō)明燃?xì)饬髁糠€(wěn)定在0.01kg/s左右。為了避免空氣來(lái)流參數(shù)和混合燃?xì)鈪?shù)的差異對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，在一次點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)中采取離子體放電5s后，切斷等離子體電源，持續(xù)10s后再次打開(kāi)等離子體電源。以等離子體開(kāi)啟和關(guān)閉為一個(gè)周期，共進(jìn)行三個(gè)周期的方案。圖7中突出的三個(gè)峰尖為等離子體放電瞬間產(chǎn)生的噪點(diǎn)。
對(duì)燃燒室軸向四個(gè)不同位置進(jìn)行了總壓和靜壓采集，其中總壓結(jié)果如圖8所示。在數(shù)據(jù)記錄的前幾秒因混合燃?xì)獠⑽袋c(diǎn)火，燃燒室壓力維持在0.118MPa；混合燃?xì)獗稽c(diǎn)燃后，燃燒室壓力上升到0.152MPa，并維持穩(wěn)定；2s后，等離子體開(kāi)啟，燃燒室壓力瞬間上升到0.205MPa，并保持穩(wěn)定；5s后，等離子激勵(lì)電源關(guān)閉，壓力又降低為0.118MPa后維持穩(wěn)定。此次實(shí)驗(yàn)中共添加了三次等離子體，等離子體電源開(kāi)啟或關(guān)閉燃燒室壓力均會(huì)產(chǎn)生0.053MPa壓力變化。這說(shuō)明等離子體對(duì)混合燃?xì)獾娜紵a(chǎn)生了積極影響，提高了燃燒效率和燃燒室的壓力。實(shí)驗(yàn)中未加等離子體工況和加等離子體工況下的燃燒室壓強(qiáng)分別為0.152MPa和0.205MPa，對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果分別為0.161MPa和0.225MPa，誤差分別為5.5%和8.8%，均在9%以?xún)?nèi)?？傮w來(lái)說(shuō)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以滿(mǎn)足一定的精度要求，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相符。
對(duì)實(shí)驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，處理結(jié)果如表3所示。實(shí)驗(yàn)中，由燃燒室總壓計(jì)算得到未加等離子體和加等離子體工況下實(shí)驗(yàn)特征速度分別為485.1m/s和638.1m/s，對(duì)應(yīng)的燃燒效率分別為52.53%和69.13%，在該放電功率下（8kW）燃燒效率增加了16.6%。
4 結(jié)論
本文以固沖發(fā)動(dòng)機(jī)中一次燃?xì)獾臍庀嘟M分作為研究對(duì)象，對(duì)有無(wú)等離子條件下的燃燒過(guò)程進(jìn)行了仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究，具體可得出以下結(jié)論。
①等離子體（無(wú)論是熱效應(yīng)還是化學(xué)效應(yīng)）能夠促進(jìn)混合燃?xì)庠诠虥_燃燒室中燃燒的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，加快了反應(yīng)進(jìn)程，縮短了混合燃?xì)馊紵玫臅r(shí)間，說(shuō)明等離子體可以縮短混合燃?xì)馊紵璧娜紵议L(zhǎng)度。
②燃燒室中加入等離子體后，顯著增加了混合燃?xì)獾娜紵?。在等離子體助燃混合燃?xì)鈱?shí)驗(yàn)中，燃燒效率從52.53%提高到了69.13%，驗(yàn)證了等離子體對(duì)混合燃?xì)饩哂袕?qiáng)化作用。
③所建立的理論模型較為真實(shí)低模擬了混合燃?xì)馊紵^(guò)程，誤差在9%以?xún)?nèi)，具有一定的可靠性。
參考文獻(xiàn)：
[1]湯中權(quán)，王銳鑫.含硼固體推進(jìn)劑[J].化學(xué)推進(jìn)劑與高分子材料，1998（3）：40-42.
[2]劉運(yùn)飛，張偉，謝五喜，等.高能固體推進(jìn)劑的研究進(jìn)展[J].飛航導(dǎo)彈，2014（9）：93-96.
[3]席劍飛，劉建忠，李和平，等.促進(jìn)硼顆粒點(diǎn)火和燃燒的方法的研究進(jìn)展[J].含能材料，2013（4）：533-538.
[4] Helmut K C， Joachim S， Walter C， et al. Combustion of solid-fuel slabs containing boron particles in step combustor [J]. Journal of Propulsion and Power， 2003（6）：1180-1191.
[5]Ju Y.Recent progress and challenges in fundamental combustion research[J]. Advances in Mechanics，2014（20）：26-97.
[6]王克強(qiáng)，莫紅軍.貧氧推進(jìn)劑的研究發(fā)展方向[J].飛航導(dǎo)彈，2005（11）：54-57.
[7]Starikovskiy A， Aleksandrov N. Plasma-assisted ignition and combustion[J]. Progress in Energy and Combustion Science，2013（1）：61-110.
[8] Rao X，Hemawan K，Carter C，et al. Plasma Enhanced Combustion using Microwave Energy Coupling in a Re-entrant Cavity Applicator[C]// Aiaa Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. 2010.
[9] Leonov S V， Kochetov I V， Napartovich A P， et al. Plasma-induced ethylene ignition and flame holding in confined supersonic air flow at low temperatures[J]. IEEE Transactions on Plasma Science，2011（2）： 781-787.
[10]宋文艷，劉偉雄，賀偉，等.超聲速燃燒室等離子體點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2006（4）：20-24.
