乙烯燃料超燃沖壓發(fā)動機燃燒過程研究

鐘富宇, 樂嘉陵, 田 野, 岳茂雄

中國空氣動力研究與發(fā)展中心 高超聲速沖壓發(fā)動機技術(shù)重點實驗室, 四川 綿陽 621000

0 引 言

吸氣式高超聲速飛行器是實現(xiàn)全球范圍內(nèi)快速遠(yuǎn)程民用運輸、可突防遠(yuǎn)程快速打擊以及近地軌道空間運輸?shù)鹊闹匾d體[1]。超燃沖壓發(fā)動機是這類飛行器最具推廣意義的推進裝置，尤其是在馬赫數(shù)大于5.0時具有非常廣闊的應(yīng)用前景。超燃沖壓發(fā)動機燃燒室的可靠點火和穩(wěn)定燃燒過程一直是人們關(guān)注的焦點。在超聲速燃燒過程中，對流場結(jié)構(gòu)和火焰發(fā)展變化過程的研究能夠加深對點火和燃燒機理的認(rèn)識，需要采用多種非接觸式燃燒流場診斷技術(shù)對其進行觀測，以達(dá)到多種測量結(jié)果相互補充和印證的目的。

田野等[2]通過試驗研究了不同當(dāng)量比的氫燃料對燃燒模態(tài)和燃燒流場結(jié)構(gòu)的影響，采用了多種非接觸光學(xué)測量方法進行同步測量，結(jié)果表明:當(dāng)量比大于0.17時，燃燒流場結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，火焰分布呈現(xiàn)破碎狀,火焰在燃燒室上下壁面之間來回傳播；當(dāng)量比小于或等于0.17時，燃燒流場結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，火焰呈現(xiàn)連續(xù)分布，火焰穩(wěn)定分布于凹槽下部剪切層內(nèi)。吳戈等[3]綜合利用OH-PLIF及CH-PLIF研究了乙烯燃料在凹腔流動的幾個截面火焰結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明：當(dāng)量比較低時，燃燒的火焰反應(yīng)區(qū)主要在凹腔中，OH沿中心軸對稱分布，當(dāng)量比較高時OH主要沿燃燒室兩側(cè)壁分布；CH-PLIF的結(jié)果顯示放熱區(qū)呈現(xiàn)高度褶皺的破碎狀，放熱區(qū)分布范圍比反應(yīng)區(qū)更窄。Ruan等[4]在基于凹腔的超燃沖壓發(fā)動機燃燒室構(gòu)型中進行了反應(yīng)流和無反應(yīng)流的試驗，結(jié)果表明：燃燒首先在擴散火焰控制下進行，然后是充分混合后的高效率燃燒，在凹腔內(nèi)也出現(xiàn)了明顯的擴散火焰控制燃燒現(xiàn)象。Gordon和Mastorakos[5-7]研究了不同來流條件下的點火和火焰穩(wěn)定，發(fā)現(xiàn)火焰穩(wěn)定性對來流溫度和速度很敏感，高總焓的來流條件有利于燃料的自點火和火焰穩(wěn)定。張灣洲等[8]采用試驗方法研究了飛行馬赫數(shù)Ma=4.0、總溫935 K來流參數(shù)下的超燃發(fā)動機乙烯點火試驗，結(jié)果表明：回流區(qū)有利于點火，剪切層和凹槽后部是穩(wěn)焰的主要區(qū)域；點火成功后，剪切層內(nèi)和凹槽后部持續(xù)卷吸氧化劑，能夠維持穩(wěn)定的燃燒。Brieschenk等[9-10]對超燃沖壓發(fā)動機激光誘導(dǎo)等離子體(LIP)點火行為進行了試驗研究，采用OH-PLIF表征等離子點火區(qū)域的演變過程，結(jié)果表明高超聲速流動中等離子點火可以促進羥基的形成。Kumaran等[11]用數(shù)值方法研究了化學(xué)模型對超聲速燃燒的影響，計算結(jié)果表明，多步化學(xué)反應(yīng)預(yù)測比單步化學(xué)反應(yīng)預(yù)測的釋熱量更高、釋熱區(qū)域更大，多步化學(xué)預(yù)測的燃燒過程更詳細(xì)、更復(fù)雜。Nakaya等[12]采用試驗方法研究了正十二烷中各組分對點火和燃燒的影響，發(fā)現(xiàn)在所有的超聲速燃燒情況下，點火均是在擴張截面處的邊界層中發(fā)生，火焰向上游傳播最終穩(wěn)定在凹腔內(nèi)，基于壓力和OH基的熒光發(fā)現(xiàn)了2種燃燒模式：射流尾跡穩(wěn)定模式和凹腔火焰穩(wěn)定模式。

何粲等[13]對一種乙烯燃料矩形截面超燃沖壓發(fā)動機進行了數(shù)值模擬，研究了該模型在不同燃燒模態(tài)下的流動特性，與試驗結(jié)果吻合良好，其結(jié)果表明：發(fā)動機處于雙模態(tài)超燃或雙模態(tài)亞燃模態(tài)時，隨著激波串結(jié)構(gòu)的形成與前移，部分燃燒可能在隔離段內(nèi)完成；而對于純超燃模態(tài)，燃燒僅發(fā)生在凹槽與擴張段內(nèi)，化學(xué)反應(yīng)與高溫區(qū)的分布相對更集中。Qin等[14]研究了沖壓發(fā)動機燃燒室內(nèi)的火焰穩(wěn)定性，結(jié)果表明：新型支板尾部產(chǎn)生的激波會形成高溫高壓區(qū)域有助于燃燒，但也不可避免地帶來了總壓損失，激波只影響到支板的附近區(qū)域。F?rster等[15]對超燃沖壓發(fā)動機燃燒室內(nèi)超聲速和雙模態(tài)燃燒的現(xiàn)象進行了試驗研究，他們發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)區(qū)，火焰結(jié)構(gòu)和局部激波形態(tài)不同，不能僅通過評估靜壁壓力分布來區(qū)分燃燒模態(tài)。An等[16]對超聲速燃燒室激光點火和火花塞放電點火進行了對比試驗研究，結(jié)果表明，火花塞放電點火的點火過程明顯慢于激光點火。

綜上所述，此前研究者已經(jīng)采用不同的方法對超燃沖壓發(fā)動機燃燒室的點火和火焰穩(wěn)定進行了研究，本文則采用多種非接觸式光學(xué)測量手段瞬時同步測量并詳細(xì)研究流場和火焰結(jié)構(gòu)整個動態(tài)發(fā)展過程，獲得了詳細(xì)試驗數(shù)據(jù)，可為LES的大渦模擬計算提供驗證。

1 試驗及測量方法介紹

1.1 試驗設(shè)備和發(fā)動機構(gòu)型

本文的試驗研究工作在中國空氣動力研究與發(fā)展中心(CARDC)的直連式超聲速脈沖燃燒風(fēng)洞(如圖1所示)上開展。該風(fēng)洞在之前的研究工作中[17-20]已經(jīng)有所介紹。試驗中，富氧空氣與氫氣在加熱器中混合燃燒，以產(chǎn)生高焓來流，流量為2.68 kg/s，總壓pt=0.82 MPa，總溫Tt=950 K。O2、H2O和N2的摩爾分?jǐn)?shù)分別為21%、12%和67%。來流氣體通過二維噴管加速到Ma=2.0。

圖1 中國空氣動力研究與發(fā)展中心直連式脈沖燃燒風(fēng)洞Fig. 1 Direct-connected pulse combustion wind tunnel of CARDC

如圖2所示，超燃沖壓發(fā)動機模型由長300 mm的隔離段和長773 mm的燃燒室組成。隔離段由長220 mm的等直段和長80 mm的擴張段組成，該擴張段的擴張角為1.4°，入口截面為30 mm×150 mm的矩形。凹腔深度11 mm,長121 mm(后斜坡角為21.1°，腔內(nèi)帶有1.4°的發(fā)散角)，在凹腔內(nèi)，距臺階下游71 mm處設(shè)有壓力監(jiān)測點，用于監(jiān)測燃燒狀態(tài)(圖2中Pressure monitor所示位置)。凹腔下游為擴張段，擴張段分為4小段：第一段長102.5 mm，帶有1.4°擴張角；第二段長145 mm，帶有2.0°擴張角；第三段長141.5 mm，帶有8.0°的擴張角；最后一段長263.0 mm，帶有15.0°的擴張角。2個火花塞位于凹腔臺階下游75 mm處，用于點燃先鋒氫。先鋒氫通過15個直徑為1.0 mm的圓孔噴注進入燃燒室，噴孔展向均布于凹腔臺階上游10 mm處。常溫乙烯通過直徑1.0 mm的10個圓孔從凹腔臺階下游25 mm處噴注進入燃燒室，進入后被先鋒氫火焰引燃。先鋒氫的當(dāng)量比約為0.33，乙烯的當(dāng)量比約為0.10。

圖2 超燃沖壓發(fā)動機內(nèi)流道型面及燃燒室示意圖Fig. 2 Geometry of internal flow passage and the schematic diagram of a scramjet combustor

設(shè)備運行的有效試驗時間約為440 ms，試驗操作時序如表1所示。為方便描述時序，將先鋒氫噴注進入燃燒室的時刻記為t=0，在t=-32.0 ms時冷流流場建立穩(wěn)定?；鸹ㄈぷ髁?次，第一次是在t=27.0 ms時，隨后先鋒氫被成功點燃。乙烯在t=100.0 ms時噴注進入燃燒室，隨后被先鋒氫火焰引燃。第二次是在t=207.0 ms時，先鋒氫停止噴注，乙烯繼續(xù)燃燒一段時間，在t=308.0 ms停止噴注乙烯。

表1 試驗操作時序Table 1 Experimental operation sequence

1.2 測量方法

試驗采用壁面壓力測量、紋影、CH自發(fā)光、火焰自發(fā)光和OH-PLIF等非接觸式光學(xué)測量手段來顯示流場結(jié)構(gòu)和火焰發(fā)展過程。紋影拍攝的曝光時間設(shè)置為4.62 μs，拍攝幀率為10 000 幀/s。CH自發(fā)光和火焰自發(fā)光拍攝幀率都設(shè)置為5000 幀/s，曝光時間均為0.2 ms。CH自發(fā)光可用于標(biāo)記乙烯反應(yīng)區(qū)。燃燒室上壁面布置了一系列壓力傳感器，用于記錄燃燒室的沿程壁面壓力。壓力傳感器(量程0～700 kPa)的靈敏度為1%。采用平面激光誘導(dǎo)熒光法(PLIF)得到火焰點火后的OH*分布情況，它可以用來表征燃燒存在的區(qū)域和火焰的位置信息，并為其提供一個定性指標(biāo)。OH-PLIF系統(tǒng)的激光器采用哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的高重頻大能量Nd:YAG固體激光器，激光重復(fù)頻率為500 Hz，單脈沖激光能量30 mJ@532 nm，532 nm激光經(jīng)泵浦染料激光器倍頻輸出283.553 nm激光，單脈沖能量為1.6 mJ，此波段激發(fā)光具有較低的溫度敏感性。光路系統(tǒng)及相關(guān)測試方法在我們之前的工作中[2]已經(jīng)進行過詳細(xì)的說明。

2 結(jié)果討論

2.1 整個燃燒過程討論

在整個燃燒過程中,監(jiān)測點(位于凹腔臺階下游71 mm處，圖2中Preesure monitor所示位置)隨時間變化的壓力曲線如圖3所示。圖中還給出了先鋒氫和乙烯的噴前壓力信號，用于標(biāo)記氫氣和乙烯的噴注時間，并結(jié)合監(jiān)測點的壓力變化標(biāo)示出各階段的時間節(jié)點。

圖3 燃料(氫氣、乙烯)、加熱器和監(jiān)測點壓力隨時間的變化Fig. 3 Pressure of fuel (hydrogen, ethylene), heater and monitor point variation over time

火花塞共工作了2次，分別是在t=27.0 ms和127.0 ms時。工作2次是為了保證點火的效果，當(dāng)出現(xiàn)第一次點火失敗的情況，2種燃料混合后再進行一次點火，可以確保燃料被引燃。若第一次點火成功，則第二次點火對燃燒過程和流場結(jié)構(gòu)幾乎沒有影響。由于火花塞放電的干擾，先鋒氫和乙烯的噴前壓力曲線上產(chǎn)生了2個較大峰值的干擾信號，可以用來標(biāo)記點火時刻。當(dāng)先鋒氫開始注入燃燒室時，監(jiān)測點的壓力在t=0時開始緩慢上升，然后保持穩(wěn)定，直到t=27.0 ms時先鋒氫被火花塞成功點燃，監(jiān)測點的壓力才突然上升。此時監(jiān)測點壓力值p達(dá)到了較高水平，約為0.31 MPa，說明先鋒氫點火成功。與此同時，可以看到乙烯的噴前壓力也略有上升，這是由于氫氣燃燒產(chǎn)生的壓升影響到了乙烯的噴前壓力所致。在t=100.0 ms時，監(jiān)測點壓力繼續(xù)升高，這是因為乙烯噴注進入燃燒室，立刻被先鋒氫成功引燃并和先鋒氫共同燃燒,此時監(jiān)測點壓力p在整個燃燒過程中達(dá)到最高水平，約為0.35 MPa?；旌先紵^程中監(jiān)測點壓力略有下降，原因是乙烯剛開始噴注產(chǎn)生的過沖現(xiàn)象在穩(wěn)定后被緩和。在t=207.0 ms時，先鋒氫停止噴注，監(jiān)測點壓力大幅度下降，降至略高于無反應(yīng)流的水平。此時雖然先鋒氫已停止噴注，但乙烯依舊能夠穩(wěn)定燃燒。t=308.0 ms時，乙烯停止噴注，火焰才逐漸熄滅。雖然控制噴注乙烯的電磁閥關(guān)閉了，但在噴注孔和電磁閥之間存在一段長度約400 mm、通徑為6 mm的金屬軟管，其中尚有余氣，從圖中可以看到，軟管中的乙烯完全排放干凈需要大約40.0 ms。

綜上所述，整個燃燒過程可分為6個階段，如表2和圖3所示。第一階段為先鋒氫噴注進入燃燒室之前的無反應(yīng)流，時間為t=-32.0～0 ms(Part 1)；第二階段為先鋒氫開始噴注后直到火花塞工作以前，用于顯示氫氣噴注時的流動特性，時間為t=0～27.0 ms(Part 2)；第三階段用于描述氫氣的燃燒過程，包括點火和火焰穩(wěn)定，時間為t=27.0～100.0 ms(Part 3)；第四階段為氫氣和乙烯共同燃燒的過程，此時燃燒最劇烈，時間為t=100.0～207.0 ms(Part 4)；第五階段闡述了乙烯的燃燒特性，當(dāng)先鋒氫停止噴注后，乙烯能夠繼續(xù)穩(wěn)定燃燒，時間為t=207.0～308.0 ms(Part 5)；第六階段是乙烯火焰熄滅過程直到試驗結(jié)束，時間為t=308.0～398.0 ms(Part 6)。

表2 試驗過程的描述Table 2 Description of the test process

第一至第五階段的時均沿程壁面壓力分布和發(fā)動機流道擴張面積曲線如圖4所示。因第六階段的沿程壁面壓力和第一階段差別不大，故沒有在圖中展示。雖然第三和第四階段的壁面壓力比其他幾個階段大得多，但這2個階段之間的差異并不大，反壓擾動的距離均約為0.2 m (圖4中x=0.1 m處)，這是因為先鋒氫的當(dāng)量比(0.33)比乙烯的當(dāng)量比(0.10)大很多，在混合燃燒過程中，相對較少的乙烯在噴注進入燃燒室后造成的反壓增加效果相對不明顯。

圖4 各階段上壁面中心線時均沿程壓力分布Fig. 4 The average pressure distribution on the centre line of the stages

第一、第二和第五階段的主要區(qū)別在凹腔部分，這是因為3個階段的流場結(jié)構(gòu)不同，下文會作詳細(xì)分析。通過對比沿程壁面壓力，給出了不同階段壓力大小的排序。壓力從小到大依次是：第一階段、第二階段、第五階段、第三階段和第四階段。由于第六階段乙烯熄滅后的流場結(jié)構(gòu)和第一階段相同，故不再敘述。

2.2 第一和第二階段的燃燒過程討論

圖5為第一階段的試驗紋影照片和數(shù)值模擬流線圖。第一階段為無反應(yīng)流動，超聲速氣流經(jīng)隔離段進入凹腔后，在前臺階的剪切層(A)以及凹腔內(nèi)的低速區(qū)兩者共同作用下，產(chǎn)生了一道斜激波(B)，這道斜激波在下壁面反射，并與邊界層相互作用，產(chǎn)生了一個分離區(qū)(E)。高速氣流通過分離區(qū)產(chǎn)生一道分離激波(C)，并與斜激波(B)相互作用。同時，在凹腔前部和后部會產(chǎn)生2個回流區(qū)(D、F)。

流場結(jié)構(gòu)周期性振蕩，本文條件下振蕩頻率約為400 Hz，流動振蕩主要是凹腔造成的。在一個振蕩周期內(nèi)(2.5 ms)，分離激波(C)后高壓使得激波向上游運動，此時激波上行。當(dāng)激波繼續(xù)上行至凹腔后部斜坡時，波后的高壓與凹腔內(nèi)的低速區(qū)域混合，壓力降低導(dǎo)致激波減弱，分離區(qū)(E)也同時減弱，凹腔內(nèi)低速區(qū)域擴展，形成通道，入口速度恢復(fù)正常，此時激波下行。

圖5 第一階段凹腔內(nèi)的紋影圖和計算流線圖Fig. 5 The schlieren image and the streamline of cavity in the first stage

第二階段的試驗紋影圖像如圖6所示，它描述了先鋒氫噴注的全過程。在t=0時，由于氫氣的噴入，產(chǎn)生了一道激波(F)，在t=0.3 ms時，可以看到它先是通過下壁面反射進而與斜激波(B)相互作用，這是第二階段的監(jiān)測點壓力略高于第一階段的原因。與后3幅圖像相比，除了在t=20.0 ms時圖像中出現(xiàn)了一些水(H)以外，其余圖像的流場結(jié)構(gòu)基本沒有發(fā)生變化。這是因為來流中含有高溫水蒸氣，在經(jīng)過溫度較低的玻璃窗時凝結(jié)成了小水滴，并順著玻璃向下游流動，此現(xiàn)象對流場結(jié)構(gòu)和燃燒過程幾乎沒有影響。

圖6 第二階段凹腔內(nèi)的紋影照片F(xiàn)ig. 6 Schlieren images of cavity in the second stage

2.3 第三階段的燃燒過程討論

本節(jié)討論先鋒氫的點火和火焰發(fā)展過程，并使用紋影圖像、火焰自發(fā)光圖像以及OH-PLIF圖像來更好地了解流場結(jié)構(gòu)和火焰特性。如圖7所示，將點火過程定義為從火花塞開始工作一直到壁面壓力達(dá)到恒定水平的過程，點火過程歷時約為26.0 ms(t=27.0～53.0 ms)。第三階段整個過程的紋影圖像如圖8所示，燃燒穩(wěn)定后流場結(jié)構(gòu)變化不大，而點火過程中的流場結(jié)構(gòu)有很大變化?；鸹ㄈぷ鲿r(t=27.0 ms)，可以看到一束強光(H)。先鋒氫立刻被點燃，燃燒釋熱非常迅速，僅0.1 ms后，即t=27.1 ms時，流場結(jié)構(gòu)便發(fā)生了很大變化。反射的激波(J)被壓縮到接近下壁面，在燃燒區(qū)之下(紅線以下)與下壁面之間來回反射。在t=27.2 ms時，因噴入氫氣而產(chǎn)生的激波(F)開始被推入隔離段中，激波的形狀發(fā)生了較大的變化，燃燒變得更加強烈，在t=29.0 ms時產(chǎn)生了一道“X”型的激波串(K)。激波串頭部被推到隔離段出口上游0.04 m處僅用了2.0 ms(t=29.0 ～31.0 ms)，因此激波串的移動速度約為20 m/s。由于燃燒產(chǎn)生的反壓不斷增大，激波串在隔離段中不斷向上游移動，最終在t=39.0 ms時超出觀測范圍。對比后3幅圖像，在t=45.0 ms后，流場結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，紋影圖像幾乎沒有變化。在t=85.0 ms時，可以看到紋影圖像中產(chǎn)生了一道非常接近于正激波的激波(U)，其后是一道斜激波(V)，表明在此階段的燃燒非常強烈。

圖7 第三階段氫氣點火過程Fig. 7 Hydrogen ignition process of the third stage

圖8 第三階段的紋影圖像Fig. 8 Schlieren images of the third stage

圖9為火焰的自發(fā)光圖像，用于顯示第三階段過程中的火焰分布及其發(fā)展過程。在t=27.0 ms時，可以看到一束非常亮的光，此時火花塞點燃先鋒氫。在t=29.0 ms時，火焰充滿整個凹腔，之后火焰區(qū)域繼續(xù)擴大，直到t=31.0 ms時，火焰接觸到下壁面，而此時激波串也被推入隔離段內(nèi)。火焰沿著下壁面向上游傳播，來回振蕩并且不穩(wěn)定，當(dāng)t=45.0 ms時又被推到了下游。對比后2張圖可以發(fā)現(xiàn)，主燃燒區(qū)域還是在凹腔內(nèi)，火焰非常明亮。和紋影圖像對比來看，火焰形狀的變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流場結(jié)構(gòu)的變化。

圖9 第三階段火焰自發(fā)光圖像Fig. 9 Flame luminosity images of the third stage

圖10為OH-PLIF圖像，用來描述化學(xué)反應(yīng)的主要區(qū)域。在t=27.0 ms時，火花塞首先點燃了火花塞周圍的氫氣，在火花塞附近可以看到OH自由基信號。在2.0 ms后，當(dāng)t=29.0 ms時，凹腔內(nèi)充滿了OH自由基信號。隨著時間的推移，OH自由基信號變化不大，主要分布在凹腔內(nèi)，穩(wěn)焰模式為凹腔回流區(qū)穩(wěn)定燃燒。

圖10 第三階段OH-PLIF圖像Fig. 10 OH-PLIF images of the third stage

2.4 第四階段的燃燒過程討論

本節(jié)介紹先鋒氫和乙烯在燃燒室中混合燃燒的特性。測量上增加了CH自發(fā)光圖像，用于標(biāo)記乙烯火焰的位置。第四階段的紋影圖像如圖11所示，在t=100.0 ms時，可以清楚地看到凹腔內(nèi)噴注乙烯所產(chǎn)生的噴射柱(L)。對比圖9中t=85.0 ms時的紋影圖像，在t=100.0 ms時凹腔內(nèi)的流場結(jié)構(gòu)變化不大。在此之后，燃燒變得更加強烈，激波串被推入隔離段內(nèi)，在t=200.0 ms時超出觀測范圍。

圖11 第四階段的紋影圖像Fig. 11 Schlieren images of the fourth stage

第四階段的火焰自發(fā)光圖像如圖12所示。在t=100.0 ms時，凹腔內(nèi)可見明顯的強光(S)，乙烯火焰為白色，氫氣火焰為黃色。對比接下來的3張圖片可以發(fā)現(xiàn)，乙烯在注入燃燒室后立刻被點燃，這是因為先鋒氫燃燒產(chǎn)生了較高的溫度和壓力，并且產(chǎn)生了一個低速區(qū)域，有利于乙烯燃燒。乙烯火焰存在于凹腔臺階下游附近的剪切層內(nèi)，穩(wěn)焰模式為凹腔剪切層穩(wěn)定燃燒。由于乙烯的當(dāng)量比遠(yuǎn)低于先鋒氫，因此穩(wěn)焰模式與先鋒氫(凹腔回流區(qū)穩(wěn)焰模式)有所不同。乙烯注入燃燒室后，2種氣體混合燃燒更加劇烈，火焰擾入隔離段。第四階段燃燒過程中CH自由基的自發(fā)光圖像如圖13所示。CH自由基是乙烯燃燒的中間產(chǎn)物，可以用來監(jiān)測乙烯燃料的燃燒效率。在t=100.0 ms時，凹腔內(nèi)可見少量CH自由基(R)，并沿凹腔剪切層向下游擴散，最終火焰位于凹腔剪切層內(nèi)(S)，與t=100.0～200.0 ms時的火焰自發(fā)光圖像分析得出的結(jié)果一致。

圖12 第四階段的火焰自發(fā)光圖像Fig.12 Flame luminosity images of the fourth stage

圖13 第四階段的CH自發(fā)光圖像Fig. 13 CH luminosity images of the fourth stage

2.5 第五階段的燃燒過程討論

當(dāng)先鋒氫在t=207.0 ms停止噴注時，由于乙烯比先鋒氫的當(dāng)量比小很多，因此監(jiān)測點壓力突然下降?？梢钥闯?，在圖14中t=210.0 ms時，此前還在上游觀測范圍以外的激波串(M)回到了隔離段內(nèi)。隨著高速氣流繼續(xù)推動激波串向下游運動，在t=211.7 ms時激波串從隔離段中被推回到凹腔內(nèi)。最后，在t=250.0 ms時，激波串消失，替換成了2道斜激波。其中一道斜激波(N)是乙烯注入高速氣流而產(chǎn)生的；另一道斜激波(P)是乙烯燃燒產(chǎn)生的，因為燃燒釋熱將剪切層“抬進了”核心主流中，導(dǎo)致超聲速氣流流動通道變窄，從而產(chǎn)生了這道斜激波。

圖14 第五階段的紋影圖像Fig. 14 Schlieren images of the fifth stage

第五階段的火焰自發(fā)光圖像如圖15所示，由于先鋒氫停止噴注，燃燒變?nèi)?。與隔離段中的激波串一樣，火焰也在t=202.6 ms時從隔離段中被推回凹腔內(nèi)。在t=203.0 ms時，靠近下壁面底部的火焰消失，主要分布在凹腔內(nèi)和靠近上壁面處。最后，在t=250.0 ms時，火焰只存在于凹腔內(nèi)。在此階段，火焰區(qū)域變得越來越小，火焰的主色由黃色變?yōu)樗{(lán)色，乙烯火焰(S)在腔內(nèi)的位置從上游往下游移動。

圖15 第五階段的火焰自發(fā)光圖像Fig. 15 Flame luminosity images of the fifth stage

第五階段燃燒過程中的CH自發(fā)光圖像如圖16所示。無論先鋒氫是否停止噴注，乙烯的當(dāng)量比均保持恒定，所以CH自由基的發(fā)光面積也不會發(fā)生變化。與圖13相比，唯一的區(qū)別是CH自由基從靠近凹腔臺階的位置移動到靠近凹腔后部斜坡的位置，這與圖15中火焰自發(fā)光圖像的分析是一致的。圖17中，OH自由基信號變化較大，變化率與CH自由基信號相比要大很多。先鋒氫停止噴注前，OH自由基面積較大，在t=201.0和203.0 ms時主要分布在凹腔中后部和凹腔下游的上壁面。當(dāng)t=241.0 ms時，乙烯單獨燃燒，此時OH自由基僅由乙烯燃燒產(chǎn)生，因此，最終在t=251.0 ms時，OH自由基的面積變得很小，僅存在于凹腔的后部。

圖16 第五階段的CH自發(fā)光圖像Fig. 16 CH luminosity images of the fifth stage

圖17 第五階段的OH-PLIF圖像Fig. 17 OH-PLIF images of the fifth stage

3 結(jié) 論

采用試驗的方法在來流馬赫數(shù)Ma=2.0的條件下研究了以乙烯為燃料的直連式凹腔燃燒室的燃燒過程，結(jié)合壁面壓力曲線、紋影圖、火焰自發(fā)光照相和CH自發(fā)光圖像以及OH-PLIF圖像瞬態(tài)同步詳細(xì)分析了氫燃料點火、氫與乙烯共同燃燒以及乙烯單獨燃燒的流場結(jié)構(gòu)和火焰發(fā)展過程。燃燒過程分6個階段，第一階段描述了先鋒氫注入之前的無反應(yīng)流動，試驗測得流場結(jié)構(gòu)周期性振蕩的頻率約為400 Hz。第二階段描述了先鋒氫被點燃之前的流動特性。第三階段描述了氫氣的燃燒過程，包括點火和火焰發(fā)展過程。第四階段描述了氫氣和乙烯的混合燃燒過程，此時燃燒最劇烈，當(dāng)先鋒氫停止噴注后，乙烯可以繼續(xù)穩(wěn)定燃燒。第五階段描述了乙烯的燃燒特性。

本文研究重點關(guān)注以下3個方面：1) 無反應(yīng)流動(第一階段)的流場結(jié)構(gòu)呈周期性振蕩，本文條件下振蕩頻率約為400 Hz，這是超聲速來流下凹腔燃燒室構(gòu)型固有特性。2) 噴氫點火過程(第三階段)，火花塞點火(t=27.0 ms)僅0.1 ms后，即t=27.1 ms時，流場與火焰結(jié)構(gòu)發(fā)生劇變。燃燒非常強烈，2.0 ms內(nèi)(t=29.0～ 31.0 ms)，激波串推動距離為0.04 m，移動速度約為20 m/s，顯示了氫點火反應(yīng)動力學(xué)的重大影響。3) 氫和乙烯混合燃燒及乙烯單獨燃燒中，CH自由基是乙烯燃燒的中間產(chǎn)物，初步分析表明，乙烯的CH自發(fā)光圖像可以用來判斷其燃燒效率的高低。

上述整個燃燒流場的詳細(xì)試驗測量結(jié)果可為動態(tài)CFD計算與驗證提供依據(jù)。