兩種優(yōu)化組合式燃料噴注方案的凹腔穩(wěn)焰特性實驗研究①

李 凡，汪洪波，孫明波，蔡 尊，孫永超，黃玉輝，朱家健

(1.國防科技大學 空天科學學院 高超聲速沖壓發(fā)動機技術重點實驗室，長沙 410073；2.裝備發(fā)展部裝備項目管理中心，北京 110000)

0 引言

超燃沖壓發(fā)動機是能夠應用到未來高超聲速飛行器中最有潛力的吸氣式推進系統(tǒng)[1]。超燃沖壓發(fā)動機中超聲速氣流速度快，氣流在燃燒室內(nèi)的駐留時間只有毫秒量級，要在如此短的時間內(nèi)完成燃料與來流的混合、點火和燃燒，難度很大。優(yōu)良的噴注方案，是保證燃料在超聲速氣流中實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒的重要前提，也是制約超燃沖壓發(fā)動機性能的重要因素。

凹腔火焰穩(wěn)定器具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)焰能力強、低阻且總壓損失小等優(yōu)點[2-5]，已經(jīng)被廣泛用于超燃沖壓發(fā)動機燃燒室的設計?；诎记坏娜剂蠂娮⒎桨竿ǔ７譃閮煞N：一種是被動式燃料噴注方案(噴孔安裝在凹腔上游，燃料通過剪切層卷吸到凹腔回流區(qū)中)，一種是主動式燃料噴注方案(噴孔安裝凹腔壁面，燃料直接進入到凹腔回流區(qū)中)[6]。相對于被動噴注方案，Gruber等[7]發(fā)現(xiàn)凹腔直接噴注在點火過渡過程中能更好地提供均勻燃料/空氣混合物和維持穩(wěn)定燃燒。Rasmussen等[8]針對燃燒室中凹腔直接噴注(凹腔底面噴注和斜坡噴注)的碳氫火焰穩(wěn)定極限進行了實驗研究。然而，由于主動式燃料噴注方案會直接將燃料聚集在凹腔內(nèi)，從而使得凹腔內(nèi)部極易出現(xiàn)局部富燃，不利于火焰穩(wěn)定。從凹腔上游壁面噴注燃料則更具優(yōu)勢，它可以提高燃料噴注的穿透深度[9]，并同時為超聲速來流和凹腔內(nèi)部提供燃料，從而改善燃料整體分布并提高燃燒效率。另外，壁面橫向噴注燃料會在噴孔附近的射流和邊界層分離區(qū)之前產(chǎn)生典型的弓形激波，有利于維持燃燒[10]。孫明波等[11]通過實驗和大渦模擬方法(LES)研究了超聲速燃燒室中凹腔上游噴注燃料的燃燒，發(fā)現(xiàn)在凹腔剪切層中存在一個能夠自持穩(wěn)定的火焰基底，高溫產(chǎn)物通過射流/凹腔剪切層的渦干擾作用被輸運到燃料射流中，射流與凹腔剪切層之間的相互作用對于維持火焰穩(wěn)定發(fā)揮了重要作用。

關于燃料噴注方案對于超聲速氣流中火焰穩(wěn)定的影響已有很多研究[12-14]。總的來說，得益于凹腔較強的火焰穩(wěn)定能力，凹腔上游壁面噴注常常是簡單高效的噴注方案。但由于凹腔內(nèi)穩(wěn)定的燃燒還取決于凹腔構(gòu)型、當量比、來流等諸多條件，在特定情況下，燃燒仍可能不能保持穩(wěn)定，會出現(xiàn)火焰吹熄現(xiàn)象。在本實驗來流馬赫數(shù)為2的氣流中，若乙烯只采用被動方案噴注，出現(xiàn)了燃燒不穩(wěn)定和火焰吹熄現(xiàn)象。同時，本實驗研究發(fā)現(xiàn)，采用將主動噴注方案作為輔助噴注方案，結(jié)合被動噴注方案的組合式噴注方案，可維持較寬范圍燃料當量比的穩(wěn)定燃燒。本文基于凹腔上游壁面雙路橫向噴注與凹腔底壁輔助噴注相結(jié)合的凹腔組合式噴注方案，在現(xiàn)有噴注方案的基礎上，通過改變凹腔上游壁面雙路噴注的噴注位置，設計了兩種優(yōu)化的凹腔組合式噴注方案，并對不同噴注方案下的超聲速氣流中的火焰穩(wěn)定特性進行研究。

1 實驗設置

本文的實驗都是在國防科技大學高超聲速重點實驗室中的直連式實驗系統(tǒng)中完成。如圖1所示，該實驗設備主要有4個組成部分：一個加熱器、一個隔離段、一個超聲速燃燒室和一個尾噴管。空氣加熱器通過氧氣、酒精和空氣三組元燃燒的方式加熱空氣，提供馬赫數(shù)為2.0，總溫為920 K，總壓為0.98 MPa的混合空氣來流。文中的超聲速來流工況如表 1所示。在實驗中，空氣、氧氣、酒精三組元的流量誤差控制在5%以內(nèi)。實驗段中的超燃沖壓發(fā)動機包括一個等直隔離段和一個燃燒室，如圖2(a)所示。隔離段長度為275 mm， 方形燃燒室入口高為 40 mm，寬為 53.6 mm，后面連接了長為 995 mm的后緣突擴凹腔燃燒室和擴張段。如圖2(b)所示，后緣突擴凹腔的前緣高度H1、后緣高度H2、凹腔底壁長度L、展向?qū)挾萕、后緣角度分別為35.7、24.1、91.3、53.6 mm和45°。由于這種凹腔構(gòu)型前后壁面之間存在高度差，燃燒室構(gòu)型從凹腔后壁面開始有明顯的擴張效應，因此這種構(gòu)型的凹腔叫做后緣突擴凹腔。之前的研究表明，后緣突擴凹腔燃燒室能夠有效地遏制熱壅塞，并提高超燃沖壓發(fā)動機的推力[15-16]。

圖1 直連式實驗系統(tǒng)

真實發(fā)動機燃燒室中采用的大分子液態(tài)碳氫燃料，在高溫下吸熱裂解后的主要裂解產(chǎn)物為乙烯。因此，在本文的基礎實驗研究中，采用乙烯作為燃料可以基本模擬真實發(fā)動機燃燒室高溫裂解后的燃燒環(huán)境，研究結(jié)果具有一定的普適性。實驗采用壁面圓形噴孔垂直噴注方式，乙烯噴注的位置如圖 2(b) 所示。在凹腔上游的燃燒室壁面上等距分布著三路乙烯噴注(d1、d2、d3)，每一路噴注各有兩個直徑為2.4 mm的乙烯噴孔。在凹腔底壁設置一個乙烯噴孔(f)用以輔助噴注。由于凹腔噴注會直接將燃料聚集在凹腔內(nèi)，容易使凹腔內(nèi)出現(xiàn)局部富燃，因此凹腔底壁的噴孔直徑較小，為1 mm。在凹腔底部中間位置安裝了一個頻率50 Hz、激發(fā)能量50 J的火花塞用以點火。

表1 實驗中的來流工況

(a) Schematic of the model scramjet combustor

(b) Schematic of the cavity and the injection schemes

實驗中發(fā)現(xiàn)，當僅采用凹腔上游雙路噴注時，燃料在0.1當量比時，就無法穩(wěn)定燃燒，火焰會被吹熄。采用凹腔上游壁面雙路橫向噴注與凹腔底壁輔助噴注(f)相結(jié)合的凹腔組合式噴注方案，可維持較寬范圍燃料當量比的穩(wěn)定燃燒。當采用現(xiàn)有的噴注方案A中的d2d3+f進行噴注時，隨著當量比的增加，在實驗中，仍觀察到燃燒不穩(wěn)定和火焰吹熄現(xiàn)象。為使燃燒室可在更寬燃料當量比范圍內(nèi)維持穩(wěn)定燃燒，通過改變雙路噴注和凹腔前緣的距離，設計了噴注方案B：d1d2+f；通過改變雙路噴注之間的距離，設計了噴注方案C：d1d3+f。三種噴注方案如圖2(b)所示。實驗中，凹腔上游雙路噴注和凹腔底壁噴注的壓力保持一致。

實驗段上安裝有一塊260 mm×95 mm 大小的石英玻璃，利用一臺裝有Focus/1.4 光圈 50 mm 定焦尼康鏡頭的高速攝影相機，可對實驗段內(nèi)的燃燒過程進行觀測。相機設置拍攝速度為20 000 fps，曝光時間為1/21 183 s，分辨率為 768×232 pixels。通過在相機鏡頭前加裝一個帶寬 10 nm 的 431 nm 濾波片，可清晰地采集到燃燒流場中的 CH*基自發(fā)輻射信號。此外，實驗中包括壁面壓力、 噴注壓力、 質(zhì)量流量等數(shù)據(jù)，均可通過實驗臺上的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測得。

2 結(jié)果分析

實驗中，針對三種噴注方案共進行了15組工況的實驗，如表2所示(pi代表噴注壓力)。為簡單起見，“A-ER0.30”表示當量比ER(Equivalence Ratio)為0.30，并采用凹腔組合噴注方案A的工況，依次類推。在實驗中，隨著當量比的增加，燃燒釋熱增強，導致隔離段中的預燃激波串不斷前移，甚至超過燃燒室入口，這意味著入口馬赫數(shù)由于壓力在隔離段外的傳播而發(fā)生了變化，會導致不良的發(fā)動機狀況，稱為發(fā)動機不啟動，如工況C-ER為0.45。因此，本文只研究燃料當量比不大于0.4的工況。

表2 實驗工況

表2也給出了不同工況對應的實驗狀態(tài)，“√”表示在整個實驗過程中火焰可穩(wěn)定燃燒，“×”表示燃料在點火后一段時間會被吹熄。圖3展示了表2中不同噴注方案下乙烯的燃燒狀態(tài)。

圖3 實驗工況的燃燒狀態(tài)示意圖

從圖3中可看出，噴注方案A只能在當量比不大于0.2時，才能夠維持穩(wěn)定燃燒；噴注方案B和C均能夠增強燃燒室中的火焰穩(wěn)定，可在更大燃料噴注當量比條件下維持火焰不被吹熄。其中，噴注方案B可以將穩(wěn)定燃燒的范圍擴大到0.3當量比，而噴注方案C在發(fā)動機不啟動之前均能實現(xiàn)火焰的穩(wěn)定燃燒。這意味著噴注方案C可提供一個更好的燃料分布的流場環(huán)境，利于燃料的混合和燃燒。同時可看到，當量比小于0.3時，三種噴注方案均能穩(wěn)定燃燒，隨著當量比進一步增加，不同噴注方案對應的燃燒狀態(tài)各不相同。因此，本文主要針對較高當量比時(ER≥0.3)乙烯的燃燒特性進行研究。應注意的是對于不穩(wěn)定燃燒的工況(火焰在燃燒一段時間后被吹熄)，在分析中采用了火焰吹熄前的實驗數(shù)據(jù)。

2.1 火焰?zhèn)鞑ヌ匦苑治?/h3>

實驗中采用高速攝影技術和CH*自發(fā)輻射技術記錄了乙烯的燃燒過程，高速攝影圖像可直觀反映火焰動態(tài)，CH*基是局部反應區(qū)的標記，可用來追蹤燃燒釋熱區(qū)[17]。本節(jié)主要對不同噴注方案下的火焰?zhèn)鞑ヌ匦赃M行分析。圖4展示了工況A-ER0.30中火焰從發(fā)生振蕩到被吹熄的完整過程。選取火焰吹熄前穩(wěn)定燃燒的某一時刻為t=0.00 ms時刻。由于當量比較高，對應的噴注壓力也較高，凹腔上游燃料噴注的射流更加深入到主流中，較多的燃料被主流吹走，從而導致凹腔剪切層上游沒有足夠的燃料摻混，不利于反應的進行。因此，火焰基底主要穩(wěn)定在凹腔剪切層下游和凹腔后緣附近。此外，由于在凹腔底壁存在一路噴注，在凹腔前緣附近會存在一個次反應區(qū)。

圖4 工況A-ER 0.30的CH*基自發(fā)輻射圖像

在t=0.00 ms時，燃燒較強烈，消耗了凹腔剪切層及附近的大量燃料，且由于噴注壓力較高，沒有足夠多的燃料摻混到剪切層附近的反應區(qū)中，反應區(qū)的火焰基底將惡化，無法釋放足夠的熱量來維持邊界層分離區(qū)和火焰穩(wěn)定，火焰基底將被吹向下游，并停留在凹腔后緣(t=1.00 ms)。若此時凹腔剪切層附近積累了足夠多的燃料，混合物將再次被點燃，火焰基底會沿著剪切層向上游移動，火焰基底重新穩(wěn)定在凹腔附近(t=1.50～2.90 ms)。以上就是燃燒中一個典型的火焰振蕩過程。在火焰基底傳播到凹腔后緣后，若此時上游的流場受到擾動，或者缺乏足夠的預混燃料，不能維持火焰基底沿著剪切層向上游傳播，火焰將被吹熄(t=2.90～3.90 ms)。圖5(a)展示了當量比為0.4時不同噴注方案下的火焰基底的位置隨時間變化曲線?；鹧婊椎恼袷幥€是根據(jù)高速攝影拍攝的瞬時火焰圖像量化處理得到的。首先，將拍攝的火焰圖轉(zhuǎn)為灰度圖，之后以一定的灰度閾值提取火焰邊界(本文選取閾值為65)，將此火焰邊界在流向上投影坐標的最小值作為火焰基底在X向的位置。為快速確定火焰基底與凹腔之間的相對位置，將凹腔前緣設置為處理后的火焰基底在流向X方向上的坐標原點。文中選擇了0.1 s的燃燒時間跨度進行分析，因為整個實驗過程都顯示出相似的特性。

可看到，燃燒過程中火焰基底在大部分時間內(nèi)都沒有越過凹腔前緣，說明反應主要發(fā)生在凹腔中。然而相對來說，噴注方案A中的火焰基底更容易越過凹腔前緣并閃回。這種火焰閃回的情況在噴注方案C中卻很少發(fā)生。噴注方案B中火焰基底的振蕩則介于噴注方案A和C之間。進一步提取在總的燃燒時間內(nèi)火焰前峰越過凹腔前緣一段距離(本文選取為7 mm，即d3噴注所在位置)的時間所占百分比來比較不同噴注方案下發(fā)生火焰閃回時間，如圖5(b)所示。

(a)The front oscillations post-processing from

(b)The percentages of the combustion in the jet

由于火焰在凹腔中的燃燒可分為凹腔穩(wěn)定模式和射流尾跡模式[18-19]，火焰回傳現(xiàn)象往往伴隨著燃燒模態(tài)的轉(zhuǎn)換，因此該百分比也可認為是燃燒處于射流尾流模式占總時間的百分比。從中可看到噴注方案A中的燃燒處于射流尾流模式的時間最長，占到了燃燒總時間的14.92%，其次是噴注方案B(10.42%)。然而，對于噴注方案C，燃燒處于射流尾流模式的時間僅占總時間的1.93%。之前的研究表明，為了獲得穩(wěn)定的燃燒，應盡可能的使火焰處于凹腔穩(wěn)定模式，并抑制燃燒模式的轉(zhuǎn)變[20]。因此，相比于噴注方案A，噴注方案B和C可提供更加有利的流場環(huán)境，以促進火焰穩(wěn)定，其中噴注方案C的效果最好，這說明適當增大凹腔上游雙路噴注之間的距離，可極大地增強燃燒的穩(wěn)定性。為了進一步探究火焰回傳現(xiàn)象的發(fā)生機制以及噴注方案C對于回傳現(xiàn)象的抑制作用，圖6和圖7分別給出了噴注方案A和方案C下，當量比為0.4時對應的火焰振蕩歷程。對于噴注方案A，燃燒最初處于凹腔剪切層模式(t=0.0 ms)，之后火焰被來流吹向凹腔后緣(t=0.0～0.75 ms)，類似于圖4中的振蕩過程。停留在凹腔后緣的火焰(t=0.75 ms)在較長時間(Δt=5 ms) 之后才向上游傳播，導致凹腔上游的射流尾跡和凹腔剪切層附近積累了大量預混氣體，形成了有利于燃燒的流場環(huán)境，凹腔剪切層中的混合物被重新點燃，燃燒處于凹腔剪切層模式(t=5.75～6.15 ms)。

圖 6 工況A-ER 0.40的一個火焰振蕩歷程

圖7 工況C-ER 0.40的一個火焰振蕩歷程

此后火焰繼續(xù)回傳到凹腔上游，燃燒處于射流尾跡模式(t=6.35 ms)。隨著射流尾跡附近燃料消耗量的增加，火焰將被來流吹向下游，在剪切層和凹腔后緣，再次形成穩(wěn)定的燃燒火焰[20]。噴注方案B中火焰回傳歷程與噴注方案A類似。對于噴注方案C，被來流吹向在凹腔后緣的火焰可在較短時間內(nèi)向上游傳播，并重新穩(wěn)定在凹腔剪切層(t=1.5～2.5 ms)，整個過程只有2.5 ms。這導致凹腔上游的射流尾跡附近無法在短時間內(nèi)積累足夠的預混氣體，抑制了火焰進一步向上游傳播。

總的來說，噴注方案A 最容易發(fā)生火焰振蕩，并伴隨著火焰回傳現(xiàn)象以及燃燒模式的轉(zhuǎn)換。兩種改進的噴注方案中，噴注方案C極大地增強了射流與凹腔的相互作用，導致有足夠多的燃料卷吸到凹腔剪切層，當發(fā)生火焰振蕩時，被來流吹向凹腔后緣的火焰可在較短時間內(nèi)沿著剪切層向上游傳播，使燃燒重新穩(wěn)定在凹腔剪切層模式，并抑制燃燒向射流尾跡模式轉(zhuǎn)換。

2.2 燃燒釋熱分析

圖8給出了當量比為0.4時實驗測得的燃燒室底壁的時均壓力對比。從中可看到，壓力峰值都集中在凹腔剪切層后緣附近，說明燃燒釋熱主要集中在凹腔附近。在隔離段形成了釋熱誘導的預燃激波串。先前的研究表明，壓力分布與燃燒釋熱和流場中混合物的動量交換成正相關[21]。與噴注方案A相比，噴注方案B的對于燃燒的增強作用不大，而噴注方案C則可明顯地促進流場中的動量交換和燃燒釋熱。

圖8 ER=0.40時三種燃料噴注方案的燃燒室底壁時均壓力對比

實驗中測得燃燒過程中燃燒室底壁壓力的隨時間的變化如圖9所示?？砂l(fā)現(xiàn)，因燃燒形成的高壓區(qū)在噴注方案C中沿流向分布最長，激波串的位置也更加接近隔離段入口；在噴注方案A中也明顯觀察到燃燒不穩(wěn)定帶來的壓力振蕩；噴注方案B的燃燒效果介于A和C之間。圖9中壓力隨時間的變化與2.1節(jié)中對火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘姆治鼋Y(jié)果是一致的?；鹧嬲袷幨沟萌紵诓煌Ｊ介g來回切換，釋熱反應區(qū)也隨之發(fā)生變化，造成測量壓力的振蕩，反應不能穩(wěn)定進行，釋熱強度降低。

(a)A-ER 0.40 (b)B-ER 0.40 (c)C-ER 0.40

為進一步定量研究燃燒放熱，將0.4當量比時的時均CH*基自發(fā)輻射圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，并分別沿著垂直于凹腔和平行于凹腔的方向按灰度積分，如圖10所示。

(a)Integeal perpendicular to the cavity (b)Integeal parallel to the cavity

可發(fā)現(xiàn)，反應釋熱區(qū)主要集中在凹腔后半部分的剪切層及其上部的主流中，很少在凹腔內(nèi)部回流區(qū)。這是因為對于凹腔剪切層上游來說，在0.4當量比時，噴注壓力較高，射流與凹腔之間的相互作用較弱，沒有足夠的燃料卷吸，不利于燃燒反應的進行；對于凹腔回流區(qū)來說，盡管凹腔底壁噴注使得凹腔回流區(qū)富燃，然而由于凹腔中缺乏足夠的氧氣，同樣也不利于反應。同時，也可看到CH*基積分曲線有多個峰值，這是由于火焰振蕩造成釋熱反應區(qū)的位置不斷變化，并出現(xiàn)多個釋熱中心造成的。相比噴注方案A來說，噴注方案B和C都增強了燃燒釋熱，并使得反應區(qū)向凹腔前緣和凹腔底部擴展。

綜上分析，圖11給出了三種凹腔組合式噴注方案對應的燃燒流場示意圖。

(a)Injection scheme A

(b)Injection scheme B

(c)Injection scheme C

燃料從凹腔上游噴注后經(jīng)過一段距離的混合，在凹腔附近的主反應區(qū)發(fā)生反應。凹腔底壁噴注的燃料大多位于凹腔回流區(qū)中，很少能夠參與到主反應區(qū)中。因此，凹腔底壁噴注主要作用是通過在凹腔前壁面附近形成一個微弱的值班火焰來穩(wěn)定主反應區(qū)的火焰。對于噴注方案A和B，由于凹腔上游雙路噴注之間的距離較近，靠近凹腔的一路噴注受到遠離凹腔那一路噴注的影響較大，造成上游噴注的穿透深度較高，燃料更加深入到主流中，射流與凹腔相互作用減弱，燃料的混合距離變長，使得釋熱反應區(qū)位于凹腔后半部。噴注方案B由于雙路噴注的位置相對于方案A更加遠離凹腔，反應區(qū)向凹腔前緣移動，一定程度上促進了火焰的穩(wěn)定燃燒和釋熱增強。對于噴注方案C，由于凹腔上游雙路噴注之間距離的增加，凹腔上游雙路噴注之間的影響變?nèi)?，上游噴注的穿透深度也隨之下降，使得射流與凹腔相互作用變強，明顯促進流場中的動量交換和燃燒釋熱，并使得反應區(qū)進一步向凹腔前緣移動，有利于火焰穩(wěn)定。

3 結(jié)論

為解決現(xiàn)有的凹腔組合式噴注方案出現(xiàn)的燃燒不穩(wěn)定和火焰吹熄現(xiàn)象，在現(xiàn)有的噴注方案A的基礎上，設計了兩個優(yōu)化的噴注方案，即增加雙路噴注與凹腔前緣距離的噴注方案B和增加雙路噴注之間距離的噴注方案C，并對不同凹腔組合噴注方案下的超聲速氣流中的火焰穩(wěn)定進行研究。實驗中采用乙烯作為燃料，用來模擬真實發(fā)動機燃燒室中大分子碳氫燃料高溫裂解后的燃燒環(huán)境。

(1)實驗中觀察到火焰振蕩，并伴隨著火焰閃回以及不同燃燒模式間的轉(zhuǎn)換，這種現(xiàn)象在原始噴注方案A最容易發(fā)生；兩種改進的噴注方案均能不同程度地增強射流與凹腔的相互作用，抑制火焰振蕩，在更大燃料噴注當量比條件下維持火焰不被吹熄。原始噴注方案A中在0.3當量比時，就出現(xiàn)了火焰吹熄現(xiàn)象，噴注方案B可將穩(wěn)定燃燒的范圍擴大到0.4當量比，而噴注方案C在發(fā)動機不啟動之前，均能實現(xiàn)火焰的穩(wěn)定燃燒。

(2)在較高當量比下(ER≥0.3)，燃燒釋熱區(qū)主要集中在凹腔后半部分。與原始噴注方案A相比，噴注方案B中的燃燒略有增強，而噴注方案C則可明顯促進流場中的動量交換和燃燒釋熱，并使得燃燒反應區(qū)向凹腔前緣移動。

本文的研究結(jié)果可為超燃沖壓發(fā)動機燃燒室中的噴注方案的優(yōu)化設計提供思路?？偟膩碚f，適當增大凹腔上游雙路噴注間的距離，可有效提高凹腔組合噴注方案的穩(wěn)焰效果，并增強燃燒釋熱。本文研究結(jié)果的意義在于提供了一個優(yōu)化的方向，對于從改變?nèi)剂蠂娮⒌慕嵌仍鰪姵曀贇饬髦械幕旌虾腿紵哂幸欢ǖ慕梃b和參考意義。