2. 中国科学院力学研究所 高温气体动力学国家重点实验室, 北京 100190
2. The State Key Laboratory of High Temperature Gas Dynamics, Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
高超声速冲压发动机技术中,燃料空气混合、点火、火焰稳定和冷却[1-2]是具有挑战性的工作。在高马赫数下,空气在燃烧室停留的时间(tflow≈0.5 ms)甚至比典型的燃料射流自点火的时间(tig≈1~2 ms)还要短[3]。传统的被动稳焰方式(如凹腔稳焰和支板稳焰)将火焰稳定在涡结构中达到稳定燃烧目的。而这种由燃烧室超声速来流主导的、被动形成的稳焰模式,来流状态的不稳定与燃烧不稳定相互作用影响了火焰结构[4-8]。因此需要更为有效的稳焰方式,在来流状态发生改变的时候主动稳定火焰,使火焰结构能够准确控制。
等离子体助燃一直是燃烧研究的重要方向。近年来的研究认为等离子增强燃烧主要有4种路径[9-10]:①加热作用,等离子体的整体加温作用提高了化学反应速率;②动力学路径,主要是电子与分子作用产生的激发态离子或原子,例如O2+、N2(*)、O2(1Δ2)等,这部分直接参与反应,使得反应路径发生变化,加快了关键中间产物的反应速率,最终使得总体反应加速;③通过电子碰撞离解燃料,使其中燃料大分子被分解成小分子,从而改变燃料化学性质,增加混合物的燃料扩散率;④等离子体产生的离子风、动态不稳定性和通过库仑力与洛伦兹力的流动运动改变局部流动速度、增加流动的湍流与混合而导致的输运增强。
产生等离子体的方法有很多,如流光放电、纳秒脉冲放电、阻挡介质放电、射频放电、辉光放电等,不同放电方式下的约化场强、电子数密度以及能量分布特性不同。Starikovskiy和Aleksandrov[11]比较了非平衡等离子体在链式点火和热点火效率方面的差异,并建议对放电中产生的不同粒子进行分类,分析其在随后发生化学反应中的作用。
国内关于等离子体助燃已经有大量研究,中国科学院力学研究所的余西龙等[12]利用1.5 kW电弧放电火炬等离子体在超燃中成功进行了液体煤油点火,实验马赫数为1.8,总温为950 K,液体煤油喷射压力范围为1.5~2.5 MPa,当量比为0.2~0.3。国防科技大学的孙明波等[13]进行了多种等离子体点火实验,利用火花放电进行了乙烯凹腔稳焰研究。李俊等[14]利用滑移电弧结合凹腔结构进行了超燃冲压发动机点火和稳焰实验,燃烧室来流马赫数为2.52,电弧功率为1 199 W,实验发现滑移电弧将贫燃点火极限扩展了17%。李晓辉等[15]成功利用激光诱导的等离子体进行了超燃冲压发动机凹腔稳焰结构液态煤油燃料的点火实验。国防科技大学的安斌等[16]进行了超燃冲压发动机激光等离子体点火实验,实验来流马赫数为2.92,总温为1 650 K,总压为2.6 MPa,乙烯燃料当量比为0.152,成功进行了激光点火,证实了通过增加点火能量,可以缩短点火时间、提高激光脉冲点火成功的概率。
相对于高压放电形成的等离子体,微波形成等离子体过程更为复杂,微波的电场和磁场对电子有加速作用,同时微波对分子化学键振动能的增加也有作用。超声速燃烧中,标量传输受到气体压缩的抑制,输运过程并不顺畅,而且相对驻留时间短。微波的影响是区域性的,因此利用微波对燃烧的动力学增强作用辅助燃烧可能更为高效。
Jaggers和von Engel[17]于1971年研究了电场对不同燃料燃烧速度的影响。在这项研究中,将甲烷、乙烯和煤气预混火焰置于直流电场或50 Hz和5 MHz交流电场,且电场电压低于击穿电压。在甲烷和乙烯的预混火焰中观察到最大火焰速度提高了20%。其作用机理被解释为电场作用于火焰内部的自由电子,引起燃烧反应速率增大。
日本名古屋大学的Shinohara等[18]将中心频率为2.45 GHz、功率分别150 W和300 W的微波直接作用于甲烷预混火焰,观察其助燃效果和对燃烧速度的影响。实验研究表明,向预混燃烧火焰发射微波,火焰长度缩短,燃烧速度加快。同时利用光谱仪探测火焰中CH和OH基温度与未射入微波时相同。燃烧速度的提高并不是由于混合气温度升高导致,而是由于微波对电子加热引起的,即微波电磁场增强了非平衡等离子体浓度。
俄罗斯的Khodataev[19]研究认为,微波可以在空间、物体表面或通过天线进行放电。由于亚临界微波放电能在高压气体中产生,所以有希望作为燃烧应用中最有前途的放电类型。亚临界放电可以有效地耦合到电离初始区域,存在一个体积分布的飘带式电离区,这一特点能够作为容积燃烧的点火火源引燃整个燃烧区域,对于超燃或者高速亚燃都具有应用前途。另外,微波放电区可以作为火焰稳定器,从而可不使用凹腔或其他几何稳焰结构,避免高热流问题[20-23]。
Stockman等[24]采用2.45 GHz微波谐振腔,利用定量滤波瑞利散射(FRS)、平面激光诱导荧光(PLIF)和粒子图像测速(PIV)测量了微波对层流火焰速度的影响,观察到预混甲烷-空气混合物的层流火焰速度增加高达20%,OH基浓度的增加主要是由焦耳加热通过微波耦合到火焰锋面后高温反应区引起的,这种额外的加热有加速燃烧的效果。
Michael等[25]研究表明频率3 GHz、重频1 kHz的微波在谐振腔内可以大幅度提高火焰速度,且耦合效率高,在大大降低平均功率的同时达到相似的火焰速度提高效果。等离子体或微波对气体的激发都需要大量的能量,对于飞行器来讲,不太可能提供大功率的电力,因此采用脉冲方式是较佳的选择。普林斯顿大学的琚诒光研究组设计了微波谐振腔,研究了微波对层流预混甲烷空气混合气火焰速度的促进作用[26]。
国内方面,清华大学的张贵新[27]、兰光[28-30]等开展了微波等离子体车用发动机的研究,该项技术的工作原理主要是使微波场在谐振腔内实现共振增强,当油气混合物的放电阈值一旦达到,就可点燃气缸混合气。另外,大连理工大学王冬雪[31]将微波等离子体点火与助燃应用于航空航天发动机领域。在石英管内恰当放置铜丝,应用在铜丝与石英管壁附近生成的表面波等离子体激元,谐振激发微波放电能够产生相对稳定的等离子体射流。研究发现位于加热层附近的等离子体,主要呈双麦克斯韦分布,原因是受到表面波等离子体激元的高频振荡影响。
综上所述,等离子体助燃研究中的等离子体产生方式多种多样。对于微波的研究多是应用微波在最大场强点放电或临界放电产生等离子体辅助燃烧,很少有微波场强对超声速燃烧的影响研究。因此本文针对微波电磁场对超声速燃烧火焰结构的影响开展实验研究。利用高速相机采集火焰锋面CH*的强度与位置,以研究微波对超燃火焰结构的改变,希望获得微波增强超声速燃烧的有效方式。
1 实验设计 1.1 实验模型与测量方法本实验在中国科学院力学研究所直连式变马赫数超声速燃烧实验台进行。直连式超声速燃烧实验台是研究超声速流动和燃烧的重要设备,主要由加热器、喷管、实验段及气路供应系统、控制台、测量系统组成,可以模拟超燃冲压发动机燃烧室的工作过程。其中,加热器采用烧氢补氧的加热方式产生高焓实验气流,来满足实验气体的总温总压要求。燃烧加热后的气体氧气摩尔分数为21%,与空气相同。
实验模型采用矩形横截面结构,单面扩张,扩张角为2°,隔离段入口高度为40 mm,宽度为80 mm,采用单级凹腔稳焰。在凹腔对面利用波导和角锥喇叭天线馈入2.45 GHz微波,模型结构如图 1、图 2所示。图 2中红色点划线内为喇叭天线及凹腔位置。从微波源出口开始,采用N型微波接头,同轴线传输。
壁面静压测点布置在发动机模型上壁面,间距为30 mm。通过内径为1 mm的测压导管连接到测压量程为0~690 kPa的压力模块上。压力信号通过PSI公司的DTC Initium数据采集系统进行采集,采样频率约为637 Hz。动态压力采用KULITE XTEL-190LM-7BARA传感器,采样频率为100 kHz。
在碳氢燃料火焰的测量中,CH*自发光主要生成位置处于火焰锋面区域。在碳氢燃料燃烧过程中会产生如OH、CH*、CN等中间自由基团,而CH*是一种能够代表燃烧火焰的基团。CH*由激发态跃迁到基态时会发射431 nm波长的光线,CH*自发光强度代表该基团的浓度。通过加了滤光片的高速相机直接对火焰进行拍摄,可捕捉到431 nm波段的图像,即CH*在燃烧区域的发光强度,也就是基团相对浓度。滤光片的通过波长为(430±15) nm,峰值透过率为0.882。实验中使用的高速相机为PHANTOM公司生产,型号为v1612,最大可用分辨率为1 280 pixel×800 pixel。实验拍摄曝光时间为10 μs,帧率为20~60 kHz,实际使用像素为512 pixel×256 pixel。
燃烧室入口来流马赫数为2.5,总温为1 249 K,总压为1.55 MPa,总流量为1.77 kg/s。微波功率参数如表 1中所示。
实验时序如图 3所示,文中所提及时序以此为参照标准。在2 s之前所有实验及采集设备趋于稳定,2~4 s为正式实验时间段。
1.2 微波馈入设计与强度计算为了表征在加入微波后燃烧室内部电磁场的分布,以及电磁场在模型内部的传播特性,并排除微波对上游电子设备的影响。本节用HFSS仿真软件对模型内部电磁场进行了计算模拟。
图 4给出的是微波计算域结构图,图中绿色的部分是石英玻璃。玻璃上侧的是喇叭天线,下侧是燃烧室流场。四周壁面采用理想导体边界条件,入口和出口两端采用辐射边界条件,微波馈入位置为凹腔上方,计算采用频域有限元分析方法,激励功率为1 W,激励主频也是2.45 GHz。
计算结果如图 5所示,图中给出了主频为2.45 GHz的电场强度分布结果。可以看到电场主要分布在燃烧室凹腔区域,就是说在馈入2.45 GHz的微波之后,功率并没有向两端传递,而是聚集在燃烧室区域,这对提高局部区域的电场能量有利。从电场的分布看到在流道中心区域形成较为集中的高电场区域,最高强度没有超过1 000 V/m,远低于击穿电压,场强是有偏振方向的,垂直于气流方向指向侧壁。由于计算时未考虑燃烧状态下空间内存在电子和离子,实际燃烧场强分布非常复杂。
2 结果与讨论 2.1 微波对超燃冲压发动机压力特征的影响图 6给出了是凹腔后缘的动态压力传感器测到的压力随时间变化图像(图中1 bar=100 kPa)。图中的压力测点位于凹腔后缘的斜坡处,压力的变化不仅代表燃烧强度的提高,也反映出火焰结构和位置。
从图 6中可以看出,在火焰稳定时刻压力几乎没有差别。而随着时间的推移,有微波注入的工况压力陡然上升,并且随微波功率的增大,压力上升点的位置前移。从红色曲线微波功率为500 W工况来看,在压力没有抬升之前,曾出现几次压力波动超过平均振幅的现象,这说明火焰发生了转变但没有稳定住。当微波功率从500 W升高到700 W之后,压力上升时间点提前。
压力抬升的时刻与微波功率相关。压力的抬升与火焰和释热形态息息相关,将无微波的燃烧模态定义为模态A,有微波而且压力升高后的模态定义为模态B。
局部压力升高是燃烧释热区域变化引起的,而释热变化必然会引起燃烧室压力分布的变化。图 7给出了燃烧室压力发生转换之后,发动机沿程压力在不同微波功率下的对比。可以发现,在加入微波之后,沿程压力隔离段升高点提前,并且压力峰值区域相对集中。而压力分布与来流状态、燃料喷射压力、燃烧室结构以及燃料特性有关,在本实验中以上所述条件均没有改变,所以是微波的加入改变了燃料的燃烧特性。
2.2 微波对平均火焰结构特征的影响从模态A和模态B分别提取100幅图像进行灰度平均,得到图 8左侧灰度图像,经过伪彩处理得到右侧伪彩图。归一化的CH*发光强度、压力分布和热流损失共同决定燃烧释热分布,且释热强度与CH*强度成正比[32]。
图 8给出了燃烧模态A与B的平均火焰结构。火焰区域可以根据凹腔剪切层大致区域分布分为2个燃烧区域,3个实验采用几何一致的划分,白色点划线下侧代表凹腔剪切层主燃区,上侧代表射流稳焰区,这样划分的意义主要是分析微波带来的火焰结构的变化。从CH*的发光强度对比可以看到,模态A凹腔稳焰区域燃烧强度大于射流稳焰区域,两部分相互交叉融合。射流稳焰的形成是由射流动量比、掺混和燃料化学反应速率决定的。
如图 8模态B火焰结构所示,在加入了微波之后,火焰高强度区完全由凹腔稳焰区域转移到了射流稳焰区域。并且火焰前锋面向前端延伸。火焰整体释热区域变大,强释热区核心变小并集中在射流稳焰区域,造成该区域壁面压力上升。
将CH*图像灰度沿图片高度积分,得到CH*相对强度沿凹腔位置的变化曲线,如图 9所示。加入微波之后发现火焰结构明显变化。火焰起始位置前移至射流区域,从伪彩图上可以看到火焰高强度释热区向射流位置偏移。在没有添加微波的工况下,火焰全部集中在凹腔位置。而加入微波之后,火焰核心前移,悬于剪切层上方。可以认为微波的加入使得燃料在射流之后迅速开始燃烧,其本质是燃烧反应速率的提升使得稳定区间发生变化。燃烧反应速率受反应物化学性质、掺混和反应路径等影响。
在超燃中,射流稳焰的形成需要具备一定的条件,比如足够的燃烧反压、足够的火焰传播速度等。根据文献[33]中微波对碳氢燃料火焰作用的研究结果,微波电磁场能够有效增强火焰内自由基(OH、CO)活性和数量,因此对化学反应速率具有有效作用,从而使火焰能够稳定在射流出口区域。另一方面,本实验中选取的当量比是略低于模态转换的当量比,由微波实现的稳焰模态的转换实际上是双模态发动机由超燃模态向亚燃模态转换时典型的稳焰模式的转换[34-35],微波起到的是一个促进作用,因此利用微波辅助超声速燃烧对发动机控制具有一定的作用。
更进一步地,对3种火焰CH*发光灰度图像像素值进行积分,可以得到火焰的CH*相对强度,并进行比较,如图 10所示。图中可以看到在不同微波功率条件下,火焰CH*发光强度并没有明显变化。这是由于在合适的当量比状态下燃烧充分,微波加入后的功能,仅是改变了燃料的燃烧掺混和燃烧路径。
2.3 火焰边界的分形几何自相似性火焰边界的分形几何自相似性是研究湍流火焰的有效手段,可以对湍流火焰速度进行分析。图 11(a)为CH*自发光灰度图形,图 11(b)为经边界提取之后的火焰边界图像。边界图像为8位位图灰度图像,火焰边界线为经过处理的单一像素值,边界线宽度为2 pixel[36]。
计数盒子边长的选取以像素为单位,应用MATLAB软件编写计算程序,给定盒子边长,计算得到能够覆盖火焰边界需要的盒子数量。由于边界宽度为2个像素,所以盒子边长最小取2个像素,步长按2n-1以此取值,最大边长为64 pixel,计算结果如表 2所示。
将表 2中的计算结果按分形维度公式取对数进行线性拟合,结果如图 12所示,拟合曲线的斜率取相反数,得到火焰边界的分形几何维度。图中拟合曲线的斜率为-1.232 8,所以火焰边界的分形维度为1.232 8,拟合优度R2=0.998 9,说明拟合程度相当好,火焰边界具有自相似性。
利用上述方法计算不同微波影响下的火焰边界分形维度。每组实验随机选取若干图片利用自动化程序计算分形维度,计算结果如表 3所示。
图片序号 | 分形维度 | ||
Case A1 | Case A2 | Case A3 | |
120000 | 1.232 762 | 1.298 255 | 1.327 407 |
130000 | 1.191 611 | 1.256 778 | 1.364 188 |
140000 | 1.234 812 | 1.294 71 | 1.330 473 |
150000 | 1.224 332 | 1.235 208 | 1.357 763 |
160000 | 1.199 538 | 1.273 982 | 1.350 057 |
170000 | 1.212 426 | 1.294 134 | 1.376 17 |
180000 | 1.221 03 | 1.314 872 | 1.276 479 |
190000 | 1.174 277 | 1.312 942 | 1.265 276 |
200000 | 1.178 31 | 1.293 473 | 1.328 107 |
210000 | 1.214 214 | 1.279 373 | 1.322 807 |
220000 | 1.199 253 | 1.264 113 | 1.332 76 |
230000 | 1.260 738 | 1.251 003 | 1.364 397 |
240000 | 1.180 264 | 1.287 954 | 1.360 534 |
平均值 | 1.209 505 | 1.281 292 | 1.335 109 |
由表 3可以看出,每个工况的火焰边界分形维度波动不大。为了研究微波功率对火焰边界分形维度的影响,对各工况分形维度分别取平均值,并绘制得到图 13。从图中可以看出,随着微波功率的加入,火焰边界的分形维度与微波功率成正相关。
火焰边界的分形几何维度与湍流火焰速度呈正相关关系,具体表达式为
$ \frac{{{S_{\rm{T}}}}}{{{S_{\rm{L}}}}} = \frac{{{A_{\rm{T}}}}}{{{A_{\rm{L}}}}} = {\left( {\frac{l}{\eta }} \right)^{{D_2} - 1}} = {\left( {\frac{l}{\eta }} \right)^{{D_1} - 1}} $ |
式中:ST和SL分别为湍流火焰速度和层流火焰速度;AT和AL分别为湍流和层流的火焰锋面面积;D2和D1分别为火焰锋面面积和火焰锋面边界的分形维度;l和η分别为湍流尺度和柯尔莫哥洛夫尺度。因此,微波的加入能够使超声速燃烧的湍流火焰速度增大。
3 结论本文通过微波功率参数对超燃火焰结构特征的影响研究,得到以下结论:
1) 微波的加入使超燃火焰稳定结构发生改变,由凹腔剪切层稳焰转向射流稳焰。由分形几何分析结果,微波的加入提高了湍流火焰速度,从而提高了整体火焰传播速度。微波功率小于火焰功率的1‰,其能够在燃料滞留的短时间产生作用,说明其对化学反应关键进程的改变机理值得深入研究。
2) 超声速湍流火焰边界具有分形几何自相似性,微波的加入使分形维度增大,从而对燃烧反应起到了积极的作用。因此可以说微波可能对火焰边界和湍流涡团起到作用,但需要进一步的研究探索。
3) 微波的有效利用与发射和接收介质关系较大,电场分布也与燃烧室结构以及流动参数密切相关,合理利用微波能量需要深入研究电磁波能量传递与火焰耦合的过程,是一个多物理场的复杂问题,本次研究证明了微波对超燃的影响可以利用。
致谢
感谢实验过程中各实验人员的合作与支持。
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