非稳态超声速燃烧电激励调控技术研究进展

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28787

综述

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非稳态超声速燃烧电激励调控技术研究进展

孙明波(), 朱家健, 罗天罡, 李沁远, 田轶夫, 万明罡, 孙永超

国防科技大学高超声速技术重点实验室，长沙 410073

收稿日期:2023-04-03 修回日期:2023-04-21 接受日期:2023-05-11 出版日期:2023-05-16 发布日期:2023-05-15
通讯作者: 孙明波 E-mail:sunmingbo@nudt.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(11925207)

Research progress of unsteady supersonic combustion controlled by electric excitation technology

Mingbo SUN(), Jiajian ZHU, Tiangang LUO, Qinyuan LI, Yifu TIAN, Minggang WAN, Yongchao SUN

Hypersonic Technology Laboratory，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China

Received:2023-04-03 Revised:2023-04-21 Accepted:2023-05-11 Online:2023-05-16 Published:2023-05-15
Contact: Mingbo SUN E-mail:sunmingbo@nudt.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(11925207)

摘要/Abstract

摘要：

点火、燃烧振荡、火焰闪回和火焰吹熄等非稳态超声速燃烧现象是影响超燃冲压发动机高效燃烧组织的关键因素。实现非稳态超声速燃烧的主动实时调控对发动机的可靠鲁棒工作至关重要，是使超燃冲压发动机进一步走向实用化所必须解决的问题。综述了非稳态超声速燃烧电激励调控技术的研究进展，分析和探讨了电激励强化点火、电激励调控燃烧模态、电激励抑制燃烧振荡和火焰闪回、电激励拓宽火焰稳定极限与助燃等作用机制和应用效果，并对非稳态超声速燃烧电激励调控技术的未来发展趋势进行了展望，为后续开展电激励调控非稳态超声速燃烧研究工作提供了参考和借鉴。

关键词: 超声速燃烧, 电激励, 强化点火, 燃烧调控, 火焰稳定

Abstract:

Unsteady supersonic combustion phenomena such as ignition， combustion oscillation， flame flashback and flame blowout are the key factors affecting the efficient combustion structure of scramjet engine. To realize the active real-time control of unsteady supersonic combustion， a problem that must be solved to make the scramjet engine further practical， is very important for the reliable and robust operation of the engine. After reviewing the research progress of electric excitation control technology for unsteady supersonic combustion， this paper analyzes the mechanism and application effects of electric excitation to strengthen ignition， control combustion mode， suppress combustion oscillation and flame flashback， widen flame stability limit and aid combustion. Moreover， this paper prospects the future development trend of electric excitation control technology for unsteady supersonic combustion and may provide a reference for subsequent research on unsteady supersonic combustion controlled by electric excitation.

Key words: supersonic combustion, electric excitation, enhanced ignition, combustion control, flame stabilization

中图分类号:

V235.21

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图/表 30

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98	DUNN I， AHMED K A， LEIWEKE R J， et al. Optimization of flame kernel ignition and evolution induced by modulated nanosecond-pulsed high-frequency discharge［J］. Proceedings of the Combustion Institute， 2021， 38（4）： 6541-6550.
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100	TIAN Y F， ZHU J J， SUN M B， et al. Enhancement of blowout limit in a Mach 2.92 cavity-based scramjet combustor by a gliding arc discharge［J］. Proceedings of the Combustion Institute， 2023， 39（4）： 5697-5705.
101	ZHU Z F， LI B， GAO Q， et al. Long-gap ignition using femtosecond laser filament-triggered discharge［J］. Optics & Laser Technology， 2022， 156： 108611.
102	孟宇，顾洪斌，孙文明，等. 微波增强滑移电弧等离子体辅助超声速燃烧［J］. 航空学报， 2020， 41（2）： 123345.
	MENG Y， GU H B， SUN W M， et al. Microwave enhanced gliding arc plasma assisted supersonic combustion［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2020， 41（2）： 123345 （in Chinese）.

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

团队	机构	电激励类型	典型工况	作用效果	优点	局限	功率
Takita^［26］	日本东北大学	等离子体炬	Ma=2.3 T_s=273.15 K	成功点火	核心温度高，8 000 K以上	电极烧蚀严重，电源体积较大	2.5 kW
Leonov^［29-30］	俄罗斯科学院	准直流放电	Ma=1.8~2.0 T_s=300 K	流动控制，强化点火	电流密度高，作用范围广，稳定性强	电极易烧蚀，配套设施复杂	1~10 kW
Ombrello^［33］	美国空军实验室	火花放电	Ma=2.0 T_s=590 K	多点火器强化点火	简单易操作	作用面积有限
Do^［42］	美国斯坦福大学	纳秒脉冲放电	Ma=1.7~3.0 T_s=900~1 500 K	促进燃烧，加速点火	高能量密度，短时间作用，可控性强	对电源要求高
孙明波^{［47， 49，51-52］}	国防科技大学	滑动弧放电	Ma=2.00~2.92 T_s=800~1 600 K	火焰传播时间减少48%，缩短点火时间61%	功率高、作用范围大	能耗高，对电源设备要求高	1.2~5.0 kW

团队	机构	电激励类型	典型工况	作用效果	优点	局限	功率
Leonov^［78］	美国圣母大学	准直流放电	Ma=2 T_s=295~750 K	调控模态	和凹腔一体化设计	高温限制工作时长	11.3~11.9 kW
Savelkin^［85］	俄亥俄州立大学	准直流放电	Ma=2	电压波形和燃烧振荡耦合	燃料提前加热和氧化	喷注和放电相互影响	3~24 kW
顾洪斌^［82］	中国科学院力学研究所	微波增强滑动弧	Ma=2.5 T_s=1 249 K	调控模态	微波增强滑动弧电激励	系统复杂
孙明波^{［52， 79-80］}	国防科技大学	滑动弧放电	Ma=2.92 T_s=1 590 K	调控模态、抑制振荡、消除闪回	激励时间长、作用面积大	需要调制、交流电波形	1.2~5.0 kW

团队	机构	电激励类型	典型工况	作用效果	优点	局限	功率
Leonov^{［92， 94］}	美国圣母大学	准直流放电	Ma=2.0 T_s=300~750 K	宽范围火焰稳定、改变稳焰模式	连续电激励、促进掺混、热效应强	高功耗、电极易烧蚀	12~18 kW
Takita^［96］	日本东北大学	等离子体炬	Ma=2.3 T_s：室温	稳焰与助燃，功率越大，燃烧越强	高温、活性组分多	需要供气、低效能、等离子体在装置内部	1.2~4.2 kW
Takita^［97］	日本东北大学	介质阻挡放电	Ma=2.0 T_s=190 K	助燃，壁面压力提升10%~20%	低功耗、活性组分多、助燃效果显著	放电难度大、低能量密度沉积、需要组合使用	10 W
Do^［99］	美国斯坦福大学	纳秒脉冲放电	Ma=1.7~3.0 T_s=900~1 500 K	特殊来流条件下的稳焰	化学效应强、高频、短脉宽	更适合低压和稀燃环境、电磁干扰强
孙明波^{［47， 52， 100］}	国防科技大学	滑动弧放电	Ma=2.00~2.92 T_s=800~1 600 K	拓宽火焰吹熄极限20%；助燃，壁面压力提高10%	高频电激励、作用面积大、兼顾热效应和化学效应	交流电存在过零点	1.2~5.0 kW

[1]	关清帝, 梁剑寒, 张林, 陈文武, 陈玉俏. 一般曲线坐标系下概率密度函数方法及其在超声速燃烧中的应用[J]. 航空学报, 2023, 44(4): 126677-126677.
[2]	景向嵘, 程盼, 罗振兵, 高天翔, 周岩, 邓雄. 电弧放电激励器破除冰特性及裂纹扩展规律[J]. 航空学报, 2022, 43(S2): 204-213.
[3]	孟宇, 顾洪斌, 孙文明, 张新宇. 微波增强滑移电弧等离子体辅助超声速燃烧[J]. 航空学报, 2020, 41(2): 123345-123345.
[4]	孟宇, 顾洪斌, 张新宇. 微波对超声速燃烧火焰结构的影响[J]. 航空学报, 2019, 40(12): 123224-123224.
[5]	杨占宇, 单鹏, 赵吕顺, 介克, 郭德三, 刘建, 黄勇. 预燃/流向涡掺混超声速燃烧室的稳焰火炬实验研究[J]. 航空学报, 2012, (3): 390-401.
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非稳态超声速燃烧电激励调控技术研究进展

Research progress of unsteady supersonic combustion controlled by electric excitation technology

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