劉 冰, 何國強, 秦 飛

(西北工業(yè)大學 燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場重點實驗室, 西安 710072)

0 引 言

高速流動條件下的碳氫燃料點火和火焰穩(wěn)定是超燃沖壓發(fā)動機燃燒室的重要關(guān)鍵技術(shù)[1]，在毫秒級的駐留時間內(nèi)實現(xiàn)有效摻混、點火和火焰穩(wěn)定是發(fā)動機燃燒室的關(guān)鍵問題[2-4]。

在實際發(fā)動機燃燒室中，支板和凹腔等火焰穩(wěn)定裝置使流動狀態(tài)變得復雜，研究人員很難建立流動和燃燒之間的直接關(guān)系。為了從機理角度認識高速流動條件下的點火過程，國內(nèi)外的學者采用了多種簡化手段進行分析研究。Oldenhof[5-8]基于高溫空氣同軸射流火焰對甲烷的點火過程進行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)提高伴流溫度或者加入少量的大分子烷烴能夠增加點火概率，并且能夠降低抬升距離。Gordon[9-10]使用同樣的構(gòu)型研究發(fā)現(xiàn)高溫空氣中射流火焰的穩(wěn)定機制為自點火過程穩(wěn)定。沈雪豹[11-12]研究了甲烷和丙烷在熱伴流條件下的射流火焰的抬升與其穩(wěn)定性，對不同伴流條件下的火焰抬升高度行了分析。對碳氫燃料在高溫空氣中的擴散燃燒特征的研究，能夠為揭示高速流動條件下的燃燒機理提供重要的依據(jù)。

目前的研究主要集中在伴流條件為貧燃，并且中心射流多為甲烷、氫氣或者低速流動[5-14]。本文針對沖壓發(fā)動機燃燒室中富燃燃氣點火[15]過程設計了一套伴流為低速富燃燃氣，中心射流為高速射流的高溫同軸射流試驗裝置，通過開展乙烯高速射流點火過程試驗研究，分析了不同伴流當量比和中心射流噴注壓力對點火過程的影響，加深對乙烯高速射流在富燃燃氣條件下點火過程的了解。

1 試驗裝置

圖1為高溫同軸伴流試驗裝置示意圖，中心為直徑1mm的噴嘴，伴流直徑為80mm，燃料管長700mm，為了防止出現(xiàn)回火，使中心噴嘴比伴流高20mm。中心噴嘴使用的是純乙烯，燃料總溫300K，噴嘴為收斂噴管，因此噴嘴出口最大馬赫數(shù)為1，靜溫為268.7K，乙烯比熱比為1.233，由聲速公式計算噴嘴出口的速度為313.6m/s。實驗中通過改變中心噴嘴的噴注壓力(總壓)達到不同的射流速度(當噴嘴出口的靜壓大于大氣環(huán)境壓力的時候，燃料射流會繼續(xù)膨脹加速達到更大的速度)和燃料流量。在燃料管的入口處安裝有一個電磁閥，由于噴嘴直徑較小，且噴注壓力均大于或等于噴嘴臨界狀態(tài)的總壓，因此當電磁閥開孔大于1mm時燃料管內(nèi)氣流就能迅速達到穩(wěn)定狀態(tài)，該過程時間較短，在實驗中忽略不計。

伴流使用的是乙烯和空氣的混合物，乙烯和空氣分別從試驗裝置底部進入，經(jīng)過5塊多孔板進行摻混，然后在蜂窩板處認為達到了完全預混，最后在蜂窩板上點燃預混氣，伴流流速1.5m/s，通過改變預混氣的當量比，獲得不同的溫度和組分。使用高速攝像機記錄中心射流從開始噴注到最后穩(wěn)定的整個過程，攝像機的采樣率為10kHz，圖片分辨率為354pixel×1380pixel。

圖1 試驗裝置示意圖

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗條件

試驗通過研究不同噴注壓力和伴流當量比下的圖像，探究噴注壓力和伴流當量比對點火過程的影響，具體工況表如表1所示，表1中的參數(shù)由氣動公式計算得到。φ表示伴流當量比；p表示中心射流的噴注壓力；v表示乙烯射流膨脹加速后達到的最大速度；u表示伴流速度。表2為不同伴流當量比下的伴流溫度和組分質(zhì)量分數(shù)(由Cantera開源程序計算獲得)。

表1 試驗工況Table 1 Experimental conditions

表2 伴流的溫度和組分質(zhì)量分數(shù)Table 2 Temperature and species mass fraction of coflow

2.2 伴流當量比對點火過程的影響

使用高速攝像機對中心射流的點火過程進行詳細記錄，由于試驗研究的是高速流動條件下的擴散燃燒過程，文獻[16]中將乙烯火焰亮度的強弱視為燃燒釋熱量的大小，因此在本文中將火焰亮度的強弱視為釋熱量的大小。圖2為工況1(φ=1.4，v=345m/s)和工況2(φ=1.6，v=345m/s)點火過程中亮度隨時間變化的結(jié)果，可以看出工況1中高亮度值的面積大于工況2高亮度值的面積，因此可認為工況1的釋熱量比工況2大。為了定量研究點火過程釋熱量的變化，對圖2拍攝區(qū)域每幅圖片的亮度值進行求和，并且基于工況1點火過程中的最大亮度值對所有的工況進行歸一化處理。圖3為工況1和2歸一化后的總亮度值隨時間的變化，從圖中可以看出點火過程主要分為4個階段：(1) 0～A1和0～B1，在這個過程中，乙烯從噴嘴出來以后速度先升高后降低，并且和伴流進行劇烈摻混，在這個階段內(nèi)沒有發(fā)生劇烈的化學反應；(2) A1～A2和B1～B2，在這個過程中，乙烯和空氣發(fā)生了劇烈的化學反應，釋熱量迅速的增大；(3) A2～A3和B2～B3，在這個過程中，高溫火焰在火焰下游與冷空氣劇烈摻混，火焰亮度變?nèi)酰诨鹧嫦掠伟l(fā)生了熄火現(xiàn)象，因此出現(xiàn)了火焰總亮度急劇下降的現(xiàn)象；(4) A3～120ms和B3～120ms，火焰到達了穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 工況1和2的點火過程

結(jié)合圖2和3，在第1個階段內(nèi)：2個工況開始著火的時間均為20ms，這是因為只有燃料積累到一定濃度時才會發(fā)生著火；在第2個階段內(nèi)：工況1的斜率大于工況2，工況1在65ms處達到最大值，工況2在50ms處達到最大值，這是因為乙烯燃料發(fā)生了快速的燃燒過程，火焰亮度和釋熱量迅速增大，且伴流當量比為1.4時乙烯火焰亮度和釋熱量均較大；在第3個階段內(nèi)：經(jīng)過第2個階段的迅速燃燒，第1個階段內(nèi)積累的燃料消耗殆盡，且高溫火焰在下游與冷空氣混合并發(fā)生了熄火，使得工況1和2的火焰亮度和釋熱量均下降，工況1在100ms處達到火焰穩(wěn)定，工況2在90ms處達到火焰穩(wěn)定；在第4個階段內(nèi)：工況1和2的火焰均達到了穩(wěn)定狀態(tài)，工況1比2的火焰總亮度值大，這里也反映出伴流當量比1.4要比1.6對乙烯射流的點火更有效。

圖3 點火過程中工況1和2總亮度值隨時間的變化

2.3 中心乙烯射流噴注壓力對點火過程的影響

圖4為工況1(φ=1.4，v=345m/s)和工況3(φ=1.4，v=439m/s)點火過程中火焰亮度隨時間變化的結(jié)果。從圖中可以看出,在0～50ms，2個工況的亮度差別不大，經(jīng)過50ms后，工況1的亮度比工況3的亮度大，因此在0～50ms過程2個工況釋熱量一樣，在50ms后，工況1釋熱量比工況3釋熱量大，這是因為工況1和3伴流當量比均為1.4。為了定量研究中心射流噴注速度對點火過程的影響，對圖4拍攝區(qū)域的每幅圖片的亮度值進行求和，并且基于工況1點火過程中的最大亮度值對所有的工況進行歸一化處理。圖5為工況1和3歸一化后的總亮度值隨時間的變化。從圖中可以看出，工況3的點火過程與工況1類似，同樣分為4個階段，分為：(1) 0～C1，伴流和主流摻混，沒有劇烈化學反應發(fā)生；(2) C1～C2，主流和空氣發(fā)生劇烈的化學反應，釋熱量迅速增大；(3) C2～C3，高溫火焰在下游遇到冷空氣發(fā)生熄火，火焰亮度變?nèi)酰?4) C3～120ms，火焰達到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 工況1和3的點火過程

結(jié)合圖4和5，在第1個階段內(nèi)：工況1和3開始著火的時間均為20ms；在第2個階段內(nèi)：在20～50ms過程中2個工況的總亮度值增長斜率是一樣的，這是因為2個工況的伴流當量比均為1.4，伴流對射流的點火效果是一樣的，工況3在50ms處火焰總亮度值達到最大值，這是因為工況3中心射流最大速度為439m/s，冷態(tài)乙烯積累較多，使得火焰亮度迅速減弱，且火焰釋熱量變小；在第3個階段內(nèi)：火焰在下游和冷空氣的劇烈混合導致了火焰下游亮度減弱并發(fā)生了熄火，所以總亮度值持續(xù)下降，工況1在100ms處火焰達到穩(wěn)定狀態(tài)，工況3在90ms處達到穩(wěn)定狀態(tài)；在第4個階段內(nèi)：工況1和3均達到了穩(wěn)定狀態(tài)，2個工況的伴流當量比一樣，工況3的乙烯射流速度和流量均比工況1大，導致了乙烯不充分燃燒且釋熱量減小，使得工況3在穩(wěn)定狀態(tài)的火焰總亮度值低于工況1.

圖5 點火過程中工況1和3總亮度值隨時間的變化

3 結(jié) 論

建立了用于研究乙烯高速射流點火的高溫同軸伴流試驗裝置，使用高速攝像機記錄了乙烯從噴嘴出來到最后穩(wěn)定的整個過程，詳細分析了乙烯射流的點火過程，并且得到了以下結(jié)論：

(1) 乙烯高速射流在富燃燃氣中的點火過程主要分為4個階段：(a) 主流和伴流摻混；(b) 主流和空氣發(fā)生劇烈化學反應；(c) 火焰在下游遇到冷空氣發(fā)生局部熄火；(d) 火焰達到穩(wěn)定狀態(tài)。

(2) 伴流當量比1.4比1.6對乙烯高速射流的點火作用更強，且伴流當量比1.6使乙烯高速射流火焰具有較多的局部熄火和較低的釋熱量。

(3) 隨著乙烯高速射流速度的增大，伴流當量比對射流的點火作用不變，但是速度的增大會導致較弱的火焰亮度和較低的釋熱量。

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