等離子體強化混合燃氣燃燒研究

摘 要：為驗證等離子體對固沖發(fā)動機中氣相組分燃燒的強化特性，通過建立等離子體助燃理論模型，對有無等離子體條件下的混合燃氣在固沖補燃室中的燃燒過程進行了數(shù)值和實驗研究。研究結果表明：在燃燒室中加入等離子體后，有效促進了混合燃氣的鏈式反應，縮短了燃燒時間；等離子體顯著提高了混合燃氣的燃燒效率，燃燒效率增加了16.6%。與實驗結果對比可知，數(shù)值計算結果誤差在10%以內(nèi)，說明所建立的理論模型較為準確地模擬了混合燃氣燃燒過程，具有一定的可靠性。

關鍵詞：等離子體；混合燃氣；固沖發(fā)動機；燃燒效率

中圖分類號：V35.12 文獻標識碼：A 文章編號：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)動機推進劑的理想高能組分。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和沸點，使得硼顆粒點火燃燒困難，抑制著硼所含能量的有效釋放，這對固體火箭發(fā)動機來說是非常不利的[1，2]。目前，改善硼點火和燃燒的措施主要有調整燃燒室結構、調節(jié)推進劑配方和硼粒子包覆等。但是，這些措施均會帶來新的問題[3-6]。

等離子體助燃技術是一種極具潛力的動力學強化方式[5，7]。早在20世紀80年代，等離子體助燃技術就被用于解決超音速燃燒中的點火困難和不完全燃燒等問題。2003年，Lou等[8]人研究發(fā)現(xiàn)，等離子體可以加快乙烷/氧化物的反應速率，提高熱量的釋放速度。2011年，Sergey B.Leonov等[9]通過等離子體助燃技術成功實現(xiàn)了在高馬赫氣流下CH4/H2/空氣的點火，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力學機理，得到氮系和氧系粒子濃度在不同放電時間和頻率條件下的變化規(guī)律。

等離子體助燃技術發(fā)展迅速，主要用于航空航天所涉及的超音速燃燒領域，在固沖發(fā)動機中的應用鮮有報道。由于固沖發(fā)動機含硼富燃燃氣不僅含有氣相組分，而且含有固體顆粒，研究難度較大。因此，本文先以固沖發(fā)動機一次燃氣中的氣相組分為研究對象，通過數(shù)值計算和點火實驗，驗證等離子體對補燃室中混合燃氣燃燒的強化特性，以此為后續(xù)的等離子助燃含硼混合燃氣實驗和理論研究提供理論支撐。

1 數(shù)學物理模型

1.1 基本假設

補燃室中混合燃氣燃燒流動非常復雜，為了簡化計算，在計算過程中進行如下簡化：①混合燃氣為理想氣體，滿足理想氣體的狀態(tài)方程，不考慮輻射換熱和體積力；②認為燃氣與壁面無熱交換，燃氣流動為絕熱準定常流動；③混合燃氣中不可燃燒或質量分數(shù)小的成分用氮氣代替。

1.2 控制方程

控制方程為笛卡爾坐標系下的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，Q、E、F、G等參數(shù)具體意義可以參考相關流體力學文獻。

1.3 燃燒模型

混合燃氣與空氣的反應具備一般同心射流火焰的特征，燃燒室前半段同時存在層流和湍流，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

為了方便計算，將等離子體以源項（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]為擴散流量、[h'j]為顯焓；[ui]，[uj]分別速度分量。活性基的密度變化采用Boltzmann零階矩方程表示；動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

補燃室中混合燃氣燃燒流動非常復雜。為了突出補燃室中的湍流擴散燃燒火焰，建立了如圖1所示的物理模型，混合燃氣由長尾管進入補燃室，空氣由燃氣入口外部的環(huán)形入口進入，等離子體從距離燃氣出口15mm處以源項添加，產(chǎn)生的尾氣由噴管出口排出。

1.6 邊界條件

以同等條件下通過固沖燃氣發(fā)生器點火實驗得到的一次燃氣主要組分作為計算輸入的混合燃氣組分，燃氣具體成分及比例如表1所示?；旌先細饬髁繛?.01kg/s，空氣流量為0.3kg/s，等離子體工質流量為0.001kg/s，具體邊界條件如表2所示。

2 計算結果

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，具有縱向受限擴散火焰結構的一般特征；混合火焰最高溫度在燃燒室前部，靠近混合燃氣出口位置，最低溫度為來流空氣溫度300K。對比圖2（a）與圖2（b）兩種工況可知，燃燒室中加入等離子體后會對混合燃氣產(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。這主要是因為活性粒子誘發(fā)了混合燃氣與空氣之間的鏈式反應，加快了混合燃氣的反應，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，壓強為0.225MPa，與未加等離子體工況燃燒室壓強0.161MPa相比，提高了39%?？梢?，等離子體會對混合燃氣產(chǎn)生積極影響，提高了混合燃氣的燃燒效率。

圖4為未加等離子體和加活性基兩種工況下燃燒室中OH濃度沿軸線變化曲線。從圖4可知，兩種工況下的OH濃度變化趨勢基本相同，均在距離燃氣入口處約0.3m達到最大，然后約在0.44m處降低為0。這說明混合燃氣在燃燒室前半部分即已燃燒完全。需要說明的是，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?？梢钥闯?，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。這是因為加入O等活性粒子后，會與H2和CH4等燃氣快速反應（O+H2=OH+H，H+HO2=2OH，O+CH4=CH3+OH等），促進了混合燃氣燃燒鏈式反應，加快了反應進程。OH濃度顯著增加，混合燃氣燃燒完全后又降低為0。OH被認為是鏈式反應的活化中心，OH濃度增加也從另一個方面說明等離子體對混合燃氣燃燒具有強化作用。

3 實驗驗證

3.1 實驗系統(tǒng)及實驗條件

實驗系統(tǒng)主要由燃燒室、來流模擬系統(tǒng)、混合燃氣供應系統(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，燃燒實驗裝置如圖5所示。實驗工況包括混合燃氣成分、含量等參數(shù)與仿真邊界條件相同，其中來流空氣流量為0.3kg/s，總溫為300K，總壓為0.27MPa；混合燃氣流量為0.01kg/s，相應空燃比為30?；旌先細庥蓛馄拷?jīng)管路輸送到燃氣發(fā)生器中，在燃燒室中與來流空氣發(fā)生擴散燃燒，燃燒產(chǎn)物經(jīng)尾噴管排出。

3.2 實驗結果

在實驗過程中，對混合燃氣在燃燒室中的火焰進行了拍攝，如圖6所示。其中，圖6（a）是未加等離子體混合燃氣燃燒火焰，圖6（b）是加入等離子體后混合燃氣燃燒火焰。從圖6可知，未加等離子體時，燃燒火焰呈淡藍色，火焰鋒面細長且沿補燃室軸線對稱分布。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，噴管尾部并沒有火焰噴出。這說明在燃燒室中加入等離子體后，有效提高了混合燃氣的燃燒效率，燃氣在燃燒室中已經(jīng)燃燒完全，縮短了燃氣燃燒時間。

混合燃氣由燃氣供給系統(tǒng)經(jīng)管路輸送到燃氣發(fā)生器中。采集燃氣發(fā)生器中的壓強可知，穩(wěn)定供給時，燃氣發(fā)生器壓力曲線如圖7所示，燃氣發(fā)生器工作壓強基本保持不變，為0.711MPa，說明燃氣流量穩(wěn)定在0.01kg/s左右。為了避免空氣來流參數(shù)和混合燃氣參數(shù)的差異對實驗結果產(chǎn)生影響，在一次點火實驗中采取離子體放電5s后，切斷等離子體電源，持續(xù)10s后再次打開等離子體電源。以等離子體開啟和關閉為一個周期，共進行三個周期的方案。圖7中突出的三個峰尖為等離子體放電瞬間產(chǎn)生的噪點。

對燃燒室軸向四個不同位置進行了總壓和靜壓采集，其中總壓結果如圖8所示。在數(shù)據(jù)記錄的前幾秒因混合燃氣并未點火，燃燒室壓力維持在0.118MPa；混合燃氣被點燃后，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，等離子激勵電源關閉，壓力又降低為0.118MPa后維持穩(wěn)定。此次實驗中共添加了三次等離子體，等離子體電源開啟或關閉燃燒室壓力均會產(chǎn)生0.053MPa壓力變化。這說明等離子體對混合燃氣的燃燒產(chǎn)生了積極影響，提高了燃燒效率和燃燒室的壓力。實驗中未加等離子體工況和加等離子體工況下的燃燒室壓強分別為0.152MPa和0.205MPa，對應的仿真結果分別為0.161MPa和0.225MPa，誤差分別為5.5%和8.8%，均在9%以內(nèi)?？傮w來說，數(shù)值計算結果可以滿足一定的精度要求，與實驗結果基本相符。

對實驗中獲得的數(shù)據(jù)進行了處理，處理結果如表3所示。實驗中，由燃燒室總壓計算得到未加等離子體和加等離子體工況下實驗特征速度分別為485.1m/s和638.1m/s，對應的燃燒效率分別為52.53%和69.13%，在該放電功率下（8kW）燃燒效率增加了16.6%。

4 結論

本文以固沖發(fā)動機中一次燃氣的氣相組分作為研究對象，對有無等離子條件下的燃燒過程進行了仿真計算和實驗研究，具體可得出以下結論。

①等離子體（無論是熱效應還是化學效應）能夠促進混合燃氣在固沖燃燒室中燃燒的鏈式反應，加快了反應進程，縮短了混合燃氣燃燒所用的時間，說明等離子體可以縮短混合燃氣燃燒所需的燃燒室長度。

②燃燒室中加入等離子體后，顯著增加了混合燃氣的燃燒效率。在等離子體助燃混合燃氣實驗中，燃燒效率從52.53%提高到了69.13%，驗證了等離子體對混合燃氣具有強化作用。

③所建立的理論模型較為真實低模擬了混合燃氣燃燒過程，誤差在9%以內(nèi)，具有一定的可靠性。

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