Ma4下超燃發(fā)動機(jī)乙烯點(diǎn)火及火焰?zhèn)鞑ミ^程試驗研究

張彎洲，樂嘉陵，楊順華，程文明，鄧維鑫，

·基礎(chǔ)研究及應(yīng)用·

Ma4下超燃發(fā)動機(jī)乙烯點(diǎn)火及火焰?zhèn)鞑ミ^程試驗研究

張彎洲1，2，＊，樂嘉陵2，楊順華2，程文明1，鄧維鑫1，2

（1.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031；2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心吸氣式高超聲速技術(shù)研究中心，四川綿陽 621000）

摘要：在直連式脈沖燃燒設(shè)備上，開展了模擬Ma4，總溫935K來流參數(shù)下的超燃發(fā)動機(jī)乙烯點(diǎn)火試驗。試驗利用了火炬點(diǎn)火器和引導(dǎo)氫氣的輔助點(diǎn)火方式，實現(xiàn)了乙烯的點(diǎn)火和穩(wěn)定燃燒。結(jié)合壁面壓力測量、高速攝影和數(shù)值模擬方法，分析點(diǎn)火及火焰?zhèn)鞑ミ^程發(fā)現(xiàn)：（1）在現(xiàn)有的注油方式下，回流區(qū)有利于點(diǎn)火，剪切層和凹槽后部是穩(wěn)焰的主要區(qū)域；（2）點(diǎn)火成功后，影響凹槽穩(wěn)焰的主要因素為燃料與氧化劑的濃度，剪切層內(nèi)和凹槽后部持續(xù)卷吸氧化劑，因而能夠維持穩(wěn)定的燃燒；（3）凹槽下游注入的燃料發(fā)生燃燒造成流道一定程度壅塞，是提升燃燒室壓力水平的重要原因，但該處的燃燒不能夠穩(wěn)定，引起燃燒室內(nèi)壓力的振蕩，而導(dǎo)致該處不穩(wěn)定燃燒的2個主要因素為變化的氧含量和較高的流速。
關(guān)鍵詞：超燃發(fā)動機(jī)；點(diǎn)火；火焰?zhèn)鞑?；脈沖燃燒風(fēng)洞；穩(wěn)定燃燒
中圖分類號：V231.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引 言

低馬赫數(shù)（Ma4～4.5）條件下的超燃發(fā)動機(jī)點(diǎn)火起動問題是超燃發(fā)動機(jī)研究的難點(diǎn)之一。因來流總溫在900～1000K之間，進(jìn)入燃燒室的超聲速氣流靜溫在500～600K之間，低于燃料的自點(diǎn)火溫度。為保證超燃發(fā)動機(jī)能夠在此條件下可靠起動，必須進(jìn)行低馬赫數(shù)條件下的燃燒室點(diǎn)火起動過程研究，為超燃發(fā)動機(jī)設(shè)計提供一定的參考和依據(jù)。

針對該問題，國內(nèi)外一些相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了系列研究，總結(jié)這些點(diǎn)火起動的措施可以概括為：（1）使用凹槽或突擴(kuò)臺階結(jié)構(gòu)［1］，在超聲速流場中制造高溫低速回流區(qū)，有利于點(diǎn)火和穩(wěn)焰；（2）使用強(qiáng)迫點(diǎn)火器制造局部高溫區(qū)域如火花塞［2］、高壓電?。?］和火炬點(diǎn)火器等，或同時在流場中釋放自由基如等離子炬［4］點(diǎn)火器；（3）先鋒火焰點(diǎn)火，首先點(diǎn)燃容易發(fā)生反應(yīng)的氫氣等燃料，加熱燃燒室和在流場中產(chǎn)生自由基，輔助點(diǎn)火；（4）使用節(jié)流技術(shù)［5－6］，在燃燒室內(nèi)產(chǎn)生激波串，減速燃燒室內(nèi)氣流，提高流場靜溫；（5）燃料技術(shù)，如增強(qiáng)燃料混合［7］、燃料加熱［8］以及液態(tài)燃料霧化技術(shù)［9－13］，有利于燃料的快速蒸發(fā)、混合和點(diǎn)火燃燒；（6）改善燃燒室環(huán)境，如加熱燃燒室壁面等。

乙烯作為一種重要的氣態(tài)碳?xì)淙剂?，國外開展了大量研究。在低馬赫數(shù)下針對乙烯燃料進(jìn)行了試驗研究［14－16］，這些研究的特點(diǎn)有：（1）連續(xù)式風(fēng)洞設(shè)備上進(jìn)行，試驗證明，發(fā)動機(jī)壁溫有利于點(diǎn)火和穩(wěn)焰；（2）多種點(diǎn)火方式組合。點(diǎn)火方式較為常見的為節(jié)流輔助點(diǎn)火，火花塞輔助點(diǎn)火，等離子炬輔助點(diǎn)火；（3）注重點(diǎn)火結(jié)果的分析，關(guān)于點(diǎn)火過程研究報道較少。

本試驗在中國空氣動力研究與發(fā)展中心的脈沖直連式燃燒加熱設(shè)備上進(jìn)行，在冷壁條件下，通過對燃料、點(diǎn)火器的精確控制，實現(xiàn)乙烯燃料在Ma4下的點(diǎn)火。著眼于點(diǎn)火在燃燒室內(nèi)發(fā)生的位置，火焰在燃燒室內(nèi)的分布和傳播形式的觀察和研究，結(jié)合數(shù)值計算結(jié)果，分析凹槽區(qū)域影響點(diǎn)火和火焰分布及傳播的因素。

1 試驗設(shè)備及測量方法

1.1脈沖燃燒風(fēng)洞設(shè)備

試驗在直連式脈沖燃燒風(fēng)洞設(shè)備（見圖1）上開展，該設(shè)備能夠模擬飛行馬赫數(shù)4～7，噴管出口馬赫數(shù)2～3，總溫800～1900K，總壓0.8～2.6MPa，設(shè)備穩(wěn)定的試驗時間約200～270ms。通過設(shè)備調(diào)試和流場校測，模擬Ma4的試驗參數(shù)如表1所示，試驗時間約250ms。

1.2火炬點(diǎn)火器

試驗采用氫氣－空氣火炬點(diǎn)火器（見圖2）。該點(diǎn)火器主要由3個子系統(tǒng)組成：氫氣進(jìn)氣系統(tǒng)、空氣進(jìn)氣系統(tǒng)和電火花塞系統(tǒng)。單個點(diǎn)火器的熱功率調(diào)節(jié)范圍為20～70kW.試驗?zāi)Ｐ蜕贤瑫r安裝了2個獨(dú)立控制的點(diǎn)火器，以實現(xiàn)在較寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)點(diǎn)火器的功率，本次試驗2個點(diǎn)火器的總功率為100kW。

圖1 直連式脈沖燃燒風(fēng)洞設(shè)備原理圖Fig.1 The directly－connected pulse combustion facility

表1 風(fēng)洞設(shè)備的試驗參數(shù)Table 1 Experimental parameters of facility

1.3直連式超燃發(fā)動機(jī)燃燒室試驗?zāi)Ｐ?/p>

矩形燃燒室試驗?zāi)Ｐ蛯挾葹?00mm，其他尺寸如圖3所示。凹槽深度18mm，長深比為10.8，后緣角22.5°。壓力測點(diǎn)主要布置在發(fā)動機(jī)側(cè)面中心線上，單側(cè)測點(diǎn)數(shù)量為30個。

圖2 火炬點(diǎn)火器Fig.2 Torch igniter

圖3 超燃發(fā)動機(jī)燃燒室側(cè)視圖（單位：mm）Fig.3 Side－view of the scramjet combustor（Units：mm）

注油位置，點(diǎn)火器位置的分布如圖4所示。A、B、C、D和E為注油位置，I為點(diǎn)火器位置。P1～P7為壓力傳感器位置，距離隔離段入口的距離分別為：415、465、515、565、640、750和852mm。

圖4 凹槽，注油位置，點(diǎn)火器和節(jié)流位置（A～E為注油位置；I為點(diǎn)火器；P1～P7為壓力傳感器）Fig.4 Positions of cavity，injectors and igniters（A～E：injectors，I：igniters，P1～P7：pressure sensor locations）

1.4壓力傳感器

根據(jù)燃燒室不同位置的壓力范圍，使用了合適量程的壓力傳感器，以提高測量精度。

1.5高速攝影

使用高速攝像技術(shù)，記錄了燃燒室內(nèi)的點(diǎn)火和火焰?zhèn)鞑ミ^程。拍攝速度為7000幀／s，每2幀之間的時間差為1／7ms。拍攝位置為圖4中的流場顯示區(qū)域，流向長度為220mm，高度90mm，涵蓋整個凹槽。

2 試驗設(shè)置及參數(shù)

脈沖式試驗的試驗時間約250ms，試驗時序為：流場建立，點(diǎn)火器工作，引導(dǎo)氫注入，乙烯注入，點(diǎn)火器和引導(dǎo)氫關(guān)閉，穩(wěn)定試驗時間結(jié)束，乙烯關(guān)閉，設(shè)備關(guān)閉，試驗結(jié)束。

試驗利用火炬點(diǎn)火器和引導(dǎo)氫，輔助乙烯點(diǎn)火?；鹁纥c(diǎn)火器的功率100kW；引導(dǎo)氫從A位置注入，當(dāng)量比約為0.05；乙烯從A、B、C、D和E共5個位置注入，當(dāng)量比分別為：0.15、0.07、0.30、0.16和0.16。最終燃燒室壓力測量的時間為引導(dǎo)氫和點(diǎn)火器完全關(guān)閉后約100ms。

3 試驗現(xiàn)象及試驗結(jié)果分析

3.1試驗過程

直連式脈沖燃燒風(fēng)洞的設(shè)備運(yùn)行如圖5所示：A：980ms富氧管快速閥開啟，前室壓力（1－3）上升；B：1010ms氫氣快速閥開啟，氫氣喉道壓力（1－2）上升后穩(wěn)定；C：1110ms破膜，后室壓力（1－4）和穩(wěn)定段壓力（1－8）上升，發(fā)動機(jī)內(nèi)流場開始建立；D：1160～1200ms流場穩(wěn)定時刻；E：約1430ms時設(shè)備氫氣耗盡，試驗結(jié)束。

圖6為試驗運(yùn)行過程中，點(diǎn)火器腔體、引導(dǎo)氫氣和乙烯注油的壓力檢測信號，該圖的時間軸與圖5的時間軸一致，具體的時序為：A：1130ms穩(wěn)定段壓力上升后點(diǎn)火器（1－14）開始工作；B：1165ms穩(wěn)定段壓力趨穩(wěn)后引導(dǎo)氫（1－11）開始注入，試驗開始；C：1200ms乙烯（1－10和1－16）開始注入；D：1220ms引導(dǎo)氫和點(diǎn)火器同時關(guān)閉；E：1260ms引導(dǎo)氫和點(diǎn)火器完全關(guān)閉；F：1430ms穩(wěn)定試驗時間結(jié)束。

圖5 脈沖燃燒風(fēng)洞設(shè)備運(yùn)行時序Fig.5 The operation schedule of pulse combustion facility

圖6 試驗時序圖Fig.6 Schedule of ignition experiment

圖7 為試驗結(jié)束前10ms測量的整個燃燒室內(nèi)的壓力曲線。其與冷流壓力曲線的比較證明，該時刻燃燒室處于工作狀態(tài)。

圖7 1420ms時的燃燒室壁面壓力Fig.7 Combustor wall pressure at 1420ms

3.2流場建立及點(diǎn)火器單獨(dú)工作過程

流場建立過程中，利用高速攝影技術(shù)在流場中觀察到點(diǎn)火器噴射的火焰（見圖8）。點(diǎn)火器的火焰在流場中存在一定程度的搖擺和拉伸，但火焰明顯，亮度較強(qiáng)。

圖8 僅有點(diǎn)火器工作時的流場Fig.8 Flow－field with igniters on

3.3引導(dǎo)氫氣點(diǎn)火過程

氫氣點(diǎn)火過程中燃燒室壁面壓力的變化如圖9所示：（1）1165ms為氫氣從凹槽上游開始注入；（2）1167ms氫氣開始被點(diǎn)燃；（3）1171ms氫氣燃燒劇烈，凹槽內(nèi)幾個位置壓力上升至最高；（4）1184ms左右，由于氫氣流量減少，燃燒減弱，凹槽入口處壓力下降明顯；（5）1205ms乙烯開始注入，凹槽內(nèi)壓力繼續(xù)降低。之后乙烯點(diǎn)火，燃燒室內(nèi)壓力逐漸上升。

圖9 引導(dǎo)氫氣點(diǎn)火過程的壓力檢測Fig.9 Pressure data of pilot hydrogen ignition process

結(jié)合壓力變化曲線與流場顯示結(jié)果詳細(xì)地比較和分析，將流場顯示中首次出現(xiàn)氫氣火焰的1594幀與圖9中515和565mm這2處壓力開始變化的1167ms定義為同一時刻，便于后續(xù)的分析和比較。這樣的定義由于壓力測量的響應(yīng)和滯后問題可能存在一定的誤差。

圖9和10顯示的氫氣點(diǎn)火過程如下：（1）氫氣注油。1164ms氫氣開始注入燃燒室，約2ms后，觀察到點(diǎn)火器火焰亮度明顯降低，在氫氣點(diǎn)燃前，點(diǎn)火器火焰變得微弱（見圖10中1166.7ms）；（2）氫氣點(diǎn)火。氫氣點(diǎn)火最先發(fā)生在點(diǎn)火器與凹槽斜坡之間（見圖10中1167.1ms），壁面515和565mm位置處的壓力首先感應(yīng)到壓力變化；（3）氫氣火焰?zhèn)鞑ミ^程。氫氣在凹槽后部點(diǎn)燃后，燃燒迅速擴(kuò)散至剪切層內(nèi)，以剪切層為中心，逐漸向上游、下游和凹槽內(nèi)擴(kuò)散。燃燒室壓力處于高位時，剪切層、凹槽中后部內(nèi)均存在強(qiáng)烈燃燒（見圖10中1171.0ms）。隨后凹槽后部的燃燒逐漸減弱，最后氫氣在剪切層內(nèi)穩(wěn)定燃燒，燃燒室壁面壓力下降明顯。

圖10 引導(dǎo)氫氣點(diǎn)火過程Fig.10 The whole ignition process of pilot hydrogen

結(jié)合數(shù)值分析結(jié)果，對氫氣的點(diǎn)火和火焰?zhèn)鞑ミ^程的解釋如下：（1）由于氫氣當(dāng)量比僅為0.05，氫氣注入后，直接進(jìn)入剪切層內(nèi)，通過擴(kuò)散進(jìn)入凹槽回流區(qū)內(nèi)。凹槽內(nèi)的氫氣濃度分布如圖11所示，凹槽前部富油程度較高，凹槽后部富油程度較低，相對更有利燃燒。點(diǎn)火器位置溫度高，氫氣濃度適中，因此是發(fā)生點(diǎn)火的理想位置；（2）點(diǎn)火成功后，回流區(qū)內(nèi)有較劇烈的反應(yīng)，如1171.0～1178.7ms幀所示。由于回流區(qū)與主流之間的質(zhì)量交換較小，燃燒初期，富油的回流區(qū)內(nèi)氧氣消耗殆盡，導(dǎo)致回流區(qū)內(nèi)富油程度較高。而新鮮空氣中的氧進(jìn)入剪切層相對更容易，剪切層內(nèi)的氧和氫氣濃度相對更適合穩(wěn)定燃燒，因此剪切層是主要的穩(wěn)焰區(qū)域；（3）由于氫氣注油壓力的衰減，氫氣流量減小，最終少量的氫氣全部在剪切層內(nèi)反應(yīng)，燃燒僅分布在剪切層內(nèi)，凹槽內(nèi)的氧含量增加（見圖10中1200.7ms）。

圖11 凹槽上游注油時的氫氣濃度云圖Fig.11 Hydrogen contour at upstream injection

3.4乙烯點(diǎn)火及火焰?zhèn)鞑ミ^程

乙烯點(diǎn)火及火焰?zhèn)鞑ミ^程主要分為3個階段：（1）乙烯點(diǎn)火階段；（2）氫氣和點(diǎn)火器開啟時的乙烯共同燃燒階段；（3）氫氣和點(diǎn)火器完全關(guān)閉后乙烯單獨(dú)燃燒階段。

（1）乙烯點(diǎn)火

燃燒室壁面壓力的變化顯示，乙烯注入后，燃燒室內(nèi)465、515和565mm位置處的壓力下降（見圖12），其中515mm處壓力下降顯著，因氫氣燃燒主要分布在該位置，乙烯注入后氫氣燃燒減弱，導(dǎo)致該位置壓力顯著下降。約1213ms時刻，465和515mm這2處的壓力明顯上升，之后凹槽內(nèi)415、465、515和565mm這4個位置的壓力均有小幅抬升。流場顯示中乙烯點(diǎn)火位置最先發(fā)生在凹槽底部乙烯注油位置，之后火焰在凹槽內(nèi)向上游和下游傳播（見圖13（a））。

圖12 乙烯點(diǎn)火前期壓力變化Fig.12 The Prior process of ethylene ignition

（2）乙烯火焰?zhèn)鞑ミ^程

乙烯從5個位置注油，凹槽上游和凹槽底部注入的燃料大部分進(jìn)入凹槽回流區(qū)，靠近凹槽前壁的回流區(qū)內(nèi)富油程度較高。乙烯在凹槽內(nèi)被點(diǎn)燃并迅速在凹槽內(nèi)傳播，1215ms時回流區(qū)內(nèi)燃燒明顯。由于富油程度較高，燃燒較短時間后氧氣消耗殆盡，回流區(qū)內(nèi)的燃燒在約5ms后熄滅（見圖13中1219.9ms），之后燃燒集中在剪切層內(nèi)和凹槽后部。

1229.4 ms時，凹槽后部的燃燒擴(kuò)散至凹槽下游，在1229.7ms時，凹槽下游出現(xiàn)了明顯的燃燒跡象。圖12中的壓力變化表明，約在1228ms時刻，852mm位置處的壓力發(fā)生急劇變化，表明該位置發(fā)生了劇烈燃燒。之后除415mm位置外，其他位置的壓力隨之上升。

凹槽下游的燃燒形成一定程度的熱力學(xué)喉道，減速喉道上游的來流促進(jìn)了喉道上游的燃燒，對燃燒室內(nèi)的壓力有明顯的提升。同時使得部分新鮮氣流進(jìn)入凹槽回流區(qū)內(nèi)，減弱了凹槽前部的富油程度，整個凹槽回流區(qū)均有強(qiáng)烈的燃燒（見圖13中1230.3～1237.3ms）。

圖13 乙烯點(diǎn)火過程Fig.13 The process of ethylene ignition

凹槽回流區(qū)的燃燒導(dǎo)致回流區(qū)內(nèi)壓力上升，剪切層被抬升偏向主流，凹槽上游產(chǎn)生的火焰部分流向下壁面，在經(jīng)過下壁面注油位置時，點(diǎn)燃了下壁面注入的燃料（見圖13中1237.1～1237.7ms）。此時燃燒室內(nèi)燃燒距離和壓力達(dá)到頂峰。

（3）乙烯單獨(dú)燃燒過程

由于凹槽下游和凹槽內(nèi)穩(wěn)定的燃燒區(qū)域已經(jīng)形成，凹槽上游注入的引導(dǎo)氫氣和凹槽內(nèi)的點(diǎn)火器完全關(guān)閉后，燃燒室內(nèi)燃燒區(qū)域的分布基本不變，但凹槽段劇烈燃燒的區(qū)域變小，凹槽內(nèi)燃燒的強(qiáng)度有所減弱，如比較1237.7ms及之后的燃燒強(qiáng)度。

3.5試驗結(jié)果及分析

（1）燃燒室壓力振蕩現(xiàn)象及原因

壓力曲線顯示燃燒室內(nèi)的壓力存在較大幅度的振蕩（見圖14）。而流場顯示結(jié)果表明，凹槽內(nèi)能夠維持較穩(wěn)定的燃燒，而凹槽下游和燃燒室下壁面的燃燒呈明顯的周期性，并不能維持穩(wěn)定燃燒（圖15）。

圖14 壓力典型震蕩過程Fig.14 Typical pressure oscillation processes

利用數(shù)值模擬方法分析凹槽下游和下壁面燃燒振蕩的原因和過程為：（a）點(diǎn)火成功后，燃燒集中在剪切層內(nèi)和凹槽后半部，該區(qū)域的氧含量適合燃燒，回流區(qū)內(nèi)富油程度較高（見圖16），不利于燃燒；（b）剪切層和凹槽后部的燃燒達(dá)到一定程度，高溫燃?xì)庖绯霭疾郏鹘?jīng)凹槽下游注油位置C，點(diǎn)燃C位置注入的燃料；（c）C位置發(fā)生燃燒后，在凹槽下游形成一定程度的壅塞，促進(jìn)凹槽內(nèi)的燃燒，凹槽回流區(qū)內(nèi)壓力升高，剪切層抬升偏向主流，凹槽上游注入的部分燃料流向下壁面，點(diǎn)燃下壁面D位置和E位置注入的燃料；（d）凹槽下游C位置和下壁面D、E位置同時燃燒，壅塞程度增加，剪切層進(jìn)一步抬升，凹槽內(nèi)的富油氣流溢出凹槽（見圖17），流向C位置，熄滅C位置的燃燒；（e）C位置的燃燒熄滅后，壅塞程度降低，流向下壁面的火焰消失，D和E位置的燃燒也熄滅，凹槽流動形態(tài)和剪切層狀態(tài)恢復(fù)，燃燒再次主要分布于剪切層和凹槽后部，燃燒狀態(tài)回復(fù)到（a），之后循環(huán)。

圖15 1290～1300ms時的壓力震蕩過程Fig.15 Pressure oscillation in combustor at 1290～1300ms

圖16 凹槽內(nèi)當(dāng)?shù)禺?dāng)量比的變化Fig.16 Change of local equivalence ratio during combustion

圖17 凹槽內(nèi)氧濃度的變化Fig.17 Change of oxygen concentration during combustion

（2）影響穩(wěn)焰的因素

高速攝影結(jié)果表明，凹槽段是維持火焰穩(wěn)定燃燒的重要區(qū)域。然而，凹槽內(nèi)的燃燒分布和燃燒形態(tài)并不一致。如在氫氣燃燒階段，隨著氫氣流量的減少，燃燒主要集中在剪切層內(nèi)；乙烯點(diǎn)火過程及乙烯燃燒過程中，燃燒最先在剪切層內(nèi)穩(wěn)定，并經(jīng)過剪切層向上游和凹槽內(nèi)擴(kuò)散，當(dāng)燃燒達(dá)到一定程度時，凹槽大部分區(qū)域分布有明顯的火焰，而凹槽前緣附近的燃燒始終較為微弱或沒有明顯燃燒（見圖10和13）。

結(jié)合數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)，該發(fā)動機(jī)構(gòu)型冷流時為典型的閉式凹槽（見圖18（a）），氣流經(jīng)過凹槽入口前緣時，形成一道膨脹波，氣流偏向凹槽，流線在凹槽中部達(dá)到凹槽底部后向主流偏轉(zhuǎn)，凹槽前緣和凹槽斜坡附近各形成一個回流區(qū)；當(dāng)凹槽內(nèi)的引導(dǎo)氫氣開始后，凹槽內(nèi)壓力上升，剪切層向主流中心偏轉(zhuǎn)，此時凹槽前緣和凹槽斜坡附近的回流區(qū)擴(kuò)大，2個回流區(qū)有相連的趨勢（見圖18（b）），結(jié)合圖10中的高速攝影結(jié)果，燃燒分布在剪切層內(nèi)；乙烯點(diǎn)火初期，乙烯燃燒后，凹槽內(nèi)的壓力進(jìn)一步升高，凹槽內(nèi)2個回流區(qū)合并成一個回流區(qū)，回流區(qū)的中心在凹槽尾部（見圖18（c）），此時燃燒主要分布在剪切層內(nèi)和凹槽尾部（見圖13中1217.0～1229.9ms）；燃燒室內(nèi)燃燒發(fā)展到一定程度，凹槽下游甚至下壁面均開始燃燒后，凹槽內(nèi)的流動形態(tài)發(fā)生了顯著變化，凹槽前緣形成一個明顯的回流區(qū)，流線從凹槽上游進(jìn)入該回流區(qū)，另一個回流區(qū)在凹槽中部形成（見圖18（d）），此時整個凹槽區(qū)域均分布有明顯的燃燒，但凹槽前緣的燃燒相對微弱（見圖13中1230.3～1271.3ms）。

圖18 回流區(qū)在燃燒過程中的變化Fig.18 Recirculation zone variation during combustion

回流區(qū)形態(tài)的變化直接影響凹槽內(nèi)的質(zhì)量交換。當(dāng)回流區(qū)形態(tài)為圖18（a）、（b）和（c）時，凹槽前部的回流區(qū)內(nèi)與主流之間的質(zhì)量交換主要為質(zhì)量擴(kuò)散，交換率較低，該回流區(qū)內(nèi)貧油或富油程度較高（因注油方式或處于不同燃燒過程而異），不適合維持穩(wěn)定燃燒。新鮮空氣通過剪切層在凹槽后部一部分向凹槽內(nèi)流動進(jìn)入凹槽后部的回流區(qū)，一部分溢出凹槽偏向主流，因此剪切層和凹槽后部是燃燒穩(wěn)定的區(qū)域。當(dāng)流動形態(tài)為圖18（d）時，部分主流沿流線直接進(jìn)入凹槽前部和凹槽后部的回流區(qū)內(nèi)，能夠及時補(bǔ)充氧氣，燃燒能夠在整個凹槽內(nèi)維持。

因此，影響剪切層穩(wěn)焰的主要因素為燃料與氧化劑的濃度。

4 結(jié) 論

試驗利用點(diǎn)火器和引導(dǎo)氫氣成功點(diǎn)燃了氣態(tài)乙烯燃料，乙烯燃料在點(diǎn)火器和引導(dǎo)氫氣完全關(guān)閉的條件下，穩(wěn)定燃燒了170ms。利用壓力測量和高速攝影技術(shù)得到了點(diǎn)火及火焰?zhèn)鞑サ脑囼灁?shù)據(jù)。結(jié)合壓力與流場顯示數(shù)據(jù)，詳細(xì)分析了氫氣點(diǎn)火及乙烯點(diǎn)火和燃燒的各個過程，并得到以下結(jié)論：

（1）凹槽內(nèi)是點(diǎn)火和火焰穩(wěn)定的重要場所。回流區(qū)內(nèi)是點(diǎn)火發(fā)生的理想場所，而剪切層和凹槽后部是燃燒穩(wěn)定的主要區(qū)域；

（2）凹槽下游和下壁面位置的燃燒是提升燃燒室壓力水平的重要原因，而該2處位置的間歇性燃燒是造成燃燒室內(nèi)壓力振蕩的主要原因。引起凹槽下游和下壁面位置熄火的2個主要原因為氧濃度過低和流速高；

（3）凹槽內(nèi)點(diǎn)火成功后，影響凹槽穩(wěn)焰的主要因素為燃料與氧化劑的濃度。剪切層內(nèi)和凹槽后半部持續(xù)有新鮮空氣進(jìn)入，是穩(wěn)焰的理想場所。

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Experimental research on ethylene ignition and flame propagation processes for scramjet at Ma4

Zhang Wanzhou1，2，＊，Le Jialing2，Yang Shunhua2，Cheng Wenming1，Deng Weixin1，2
（1.School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；2.Airbreathing Hypersonics Research Center，China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang Sichuan 621000，China）

Gaseous ethylene ignition experiments were carried out on directly－connected pulse combustion facility.The stagnation temperature and the Mach number at the isolator entrance were 935Kand 2respectively，which simulated the flight with Mach number 4.Ethylene was ignited successfully and stable combustion was maintained by employing torch igniter and pilot hydrogen.Wall pressure measurement，high speed imaging and numerical simulation were employed to analyze the ignition and flame propagation processes.The results indicate that：（1）the recirculation zone in the cavity avails ignition，while the shear layer and the rear of the cavity are the main regions for stable combustion；（2）after ignition，the density of the fuel and oxidizer is the key factor to stable combustion，and oxidizer that continually entering the shear layer and rear of cavity supports the stable combustion；（3）combustion downstream of the cavity promotes the pressure level in the combustor，and the unstable combustion there causes pressure oscillation.The high velocity and variation of oxygen content are the two main factors including unstable combustion downstream of the cavity.

scramjet；ignition；flame propagation；pulse combustion facility；stable combustion

（編輯：楊 娟）

1672－9897（2016）03－0040－08

10.11729／syltlx20150161

2015－12－29；

2016－05－24

＊通信作者E－mail：zwz1496293＠qq.com

Zhang W Z，Le J L，Yang S H，et al.Experimental research on ethylene ignithion and flame propagation processes for scramjet at Ma4.Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2016，30（3）：40－46，84.張彎洲，樂嘉陵，楊順華，等.Ma4下超燃發(fā)動機(jī)乙烯點(diǎn)火及火焰?zhèn)鞑ミ^程試驗研究.實驗流體力學(xué)，2016，30（3）：40－46，84.

張彎洲（1984－），男，湖南醴陵人，博士。研究方向：超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室技術(shù)。通信地址：四川省綿陽市二環(huán)路南段6號1902信箱（621000）。E－mail：zwz1496293＠qq.com