航空發(fā)動機(jī)燃燒室點(diǎn)火研究概述

劉正藝，陳溯敏，周孫宇

(中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都 610500)

1 引言

確保航空發(fā)動機(jī)在極端環(huán)境(高寒點(diǎn)火)和特殊情況(高空點(diǎn)火)下點(diǎn)火起動成功，即具有較寬廣的穩(wěn)定燃燒工作范圍，是實現(xiàn)發(fā)動機(jī)運(yùn)行高可靠性和高安全性的關(guān)鍵。發(fā)動機(jī)燃燒室的點(diǎn)火過程極為復(fù)雜，涉及到小尺度的火焰與湍流的耦合，且影響點(diǎn)火過程及周向點(diǎn)火時間的因素錯綜復(fù)雜。目前，火焰的詳細(xì)發(fā)展過程仍處于觀測探索階段，即其物理過程尚未被完全掌握和認(rèn)識，理論建設(shè)、經(jīng)驗?zāi)Ｐ?、?shù)值計算和試驗技術(shù)均存在一定挑戰(zhàn)[1]。

隨著發(fā)動機(jī)推重比的不斷提升，發(fā)動機(jī)對燃燒室溫升、穩(wěn)定工作范圍以及出口溫度分布的要求越來越苛刻。為適應(yīng)燃燒室熱容增加，主燃區(qū)氣流量相應(yīng)增大，穩(wěn)定火焰難度提升。此外，隨著航空污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，分級燃燒室應(yīng)運(yùn)而生，但該類燃燒室的頭部進(jìn)氣量較高，易導(dǎo)致其在低工況下火焰難穩(wěn)定且點(diǎn)/熄火性能難保證。為此，需進(jìn)一步深入開展航空發(fā)動機(jī)燃燒室穩(wěn)定性設(shè)計，而點(diǎn)火相關(guān)研究能對其起支撐和指導(dǎo)作用。

本文通過對國內(nèi)外多篇航空發(fā)動機(jī)燃燒室點(diǎn)火研究領(lǐng)域公開文獻(xiàn)進(jìn)行分類統(tǒng)計，介紹了目前點(diǎn)火研究的基本概況，并對點(diǎn)火研究的重點(diǎn)內(nèi)容——點(diǎn)火特性預(yù)測方法、數(shù)值模擬方法、試驗研究等進(jìn)行了簡述，對點(diǎn)火性能影響因素、點(diǎn)火性能改善方案進(jìn)行了總結(jié)，以期為后期燃燒室點(diǎn)火設(shè)計提供參考。

2 燃燒室點(diǎn)火研究基本概況

通過收集、整理、分析多篇國內(nèi)外大學(xué)、研究中心、企業(yè)以及行業(yè)設(shè)計所等有關(guān)燃燒室點(diǎn)火研究的文獻(xiàn)[1-36]，發(fā)現(xiàn)有以下幾個特點(diǎn)：

(1) 借助先進(jìn)的測量儀器，逐步加深對點(diǎn)火過程的認(rèn)識，深入觀察了火核發(fā)展、火焰?zhèn)鞑ァ⒒鹧娣€(wěn)定及聯(lián)焰過程；在推導(dǎo)半經(jīng)驗關(guān)系式時，考慮的影響因素越發(fā)全面。同時，更加關(guān)注經(jīng)驗關(guān)系式的普適性與準(zhǔn)確性，以求超出理論研究，成功應(yīng)用于工程設(shè)計；不斷優(yōu)化改進(jìn)數(shù)值模擬技術(shù)、點(diǎn)火模型，以提高產(chǎn)品設(shè)計效率，降低設(shè)計成本。

(2) 國外研究早于國內(nèi)研究，且所涉領(lǐng)域極為全面，推導(dǎo)的經(jīng)驗與半經(jīng)驗關(guān)系式至今仍對設(shè)計工作起著指導(dǎo)與參考作用；對數(shù)值模擬的研究較為深入，從反應(yīng)模型到自編程軟件一步步細(xì)化，同時多次調(diào)試計算模型，并與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了定性驗證對比。國內(nèi)自2007年才開始點(diǎn)火研究，起步較晚。目前，國內(nèi)外研究的內(nèi)容均相似，主要關(guān)注點(diǎn)火半經(jīng)驗公式提出、關(guān)鍵參數(shù)預(yù)測、全環(huán)點(diǎn)火過程觀測等，并在研究中輔以高速攝像、粒子圖像測速系統(tǒng)(PIV)、相位多普勒粒子分析儀(PDPA)等測試手段。

(3) 目前仍多是通過試驗手段完成觀測分析、驗證校核、霧化初始參數(shù)提供；數(shù)值模擬(定性、定量)方面，包括初始輸入?yún)?shù)、湍流模型、燃燒模型、點(diǎn)火模型、化學(xué)反應(yīng)模型和兩相流模型，仍有較大的發(fā)展空間。

(4) 早期點(diǎn)火研究關(guān)注的是“點(diǎn)”，而現(xiàn)在關(guān)注的是“面”，主要偏向于聯(lián)焰、火核分裂、火焰結(jié)構(gòu)等方面的研究，且多為結(jié)構(gòu)或位置參數(shù)的規(guī)律性探討，而此部分對燃燒室影響較大，對推動燃燒室設(shè)計科學(xué)發(fā)展具有積極作用。

3 點(diǎn)火研究內(nèi)容

航空發(fā)動機(jī)起動過程中燃燒室能否穩(wěn)定、快速地點(diǎn)著火，直接決定著發(fā)動機(jī)能否成功起動。燃燒室點(diǎn)火過程為典型的強(qiáng)迫點(diǎn)火過程，肖為等[1]對電火花點(diǎn)火的火核衍化過程進(jìn)行了詳細(xì)描述，給出了點(diǎn)火成功瞬態(tài)圖像(圖1)。Mastorakos[2]、楊金虎等[3]將環(huán)形燃燒室點(diǎn)火過程劃分為4 個階段：①火核生成階段；②火焰?zhèn)鞑ルA段；③火焰穩(wěn)定階段；④全環(huán)聯(lián)焰階段。本文將從點(diǎn)火特性預(yù)測方法、數(shù)值模擬以及試驗研究3個方面進(jìn)行概述。

圖1 點(diǎn)火成功瞬態(tài)圖像[1]Fig.1 Successful ignition sequence

3.1 點(diǎn)火特性預(yù)測方法

燃燒室點(diǎn)火特性預(yù)測方法可分為兩類。一是基于特征時間的點(diǎn)火特征經(jīng)驗預(yù)測(特征時間分析+試驗標(biāo)定)[4-5]。該方法主要關(guān)注初始火核形成和點(diǎn)火延遲現(xiàn)象，對后續(xù)聯(lián)焰過程無考慮，且由于經(jīng)驗常數(shù)的確定與燃燒室結(jié)構(gòu)形狀相關(guān)，其普適性有待考量。此外，點(diǎn)火延遲現(xiàn)象極難通過CFD模擬觀察或復(fù)刻。二是基于數(shù)值模擬和火核追蹤的點(diǎn)火概率預(yù)測(數(shù)值模擬+理論分析)[6]。該方法可利用冷態(tài)流場結(jié)構(gòu)，對點(diǎn)火概率空間分布、點(diǎn)火時間尺度以及點(diǎn)火的4個階段進(jìn)行分析，但對計算網(wǎng)格的依賴較強(qiáng)(網(wǎng)格尺寸需適當(dāng))，無法準(zhǔn)確計算火焰體積和火焰膨脹過程，對旋流霧化噴嘴的預(yù)測精度仍待檢驗。

3.2 數(shù)值模擬

目前，航空發(fā)動機(jī)點(diǎn)火過程數(shù)值模擬主要基于大渦模擬(LES)展開，也有將雷諾應(yīng)力模型(RANS)耦合到LES中嘗試提高計算效率。大渦模擬在火花點(diǎn)火后的火焰?zhèn)鞑ビ嬎阒休^為精確，能準(zhǔn)確捕獲點(diǎn)燃和回火工況下的火焰運(yùn)動，對結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格都適用。

Boileau等[7]運(yùn)用非定常大渦模擬對直升機(jī)發(fā)動機(jī)18 個頭部的環(huán)形燃燒室的點(diǎn)火過程進(jìn)行了模擬。Jones等[8]采用歐拉隨機(jī)軌道濾波概率密度函數(shù)的大渦模擬方法對單頭部燃燒室點(diǎn)火進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明火花尺寸是影響燃燒室內(nèi)煤油點(diǎn)火性能的關(guān)鍵參數(shù)，且此結(jié)果與相似幾何結(jié)構(gòu)下的高速成像試驗結(jié)果定性一致。呂浩杰[9]采用LES 捕捉實時流場的脈動、火焰?zhèn)鞑ゼ?xì)節(jié)和非穩(wěn)態(tài)點(diǎn)火過程，采用了能反映點(diǎn)火過程湍流-化學(xué)反應(yīng)相互作用的EDC燃燒模型，電火花點(diǎn)火模擬選擇Fluent 自帶的電火花模型，火花設(shè)置為球形、尺寸固定且不隨時間變化。Steil等[10]對航空煤油及其替代燃料的點(diǎn)火延遲時間進(jìn)行了研究，指出DAG化學(xué)反應(yīng)模型比BBS化學(xué)反應(yīng)模型的預(yù)測結(jié)果更接近試驗結(jié)果，且反應(yīng)溫度對點(diǎn)火延遲時間影響顯著。Antoshkiv等[11]點(diǎn)明點(diǎn)火性能與噴霧形狀及其霧錐的隨機(jī)性密切相關(guān)，氣流速度場、噴霧質(zhì)量流量和霧化質(zhì)量是影響霧化過程的關(guān)鍵因素。Rao等[12]指出，在最小點(diǎn)火能-常溫常壓點(diǎn)火時，可暫不考慮最小點(diǎn)火能對火核生成過程的影響，混合物處于可燃極限范圍內(nèi)時電火花的能量便足以將其點(diǎn)燃；但對于高空點(diǎn)火，最小點(diǎn)火能的影響較大，建立點(diǎn)火預(yù)測模型時需考慮其影響。馬佳敏等[13]采用壓力進(jìn)出口邊界條件、VOF兩相流模型、Realizablek-ε湍流模型對旋流霧化噴嘴的霧化特性進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的誤差為0.45%，但此方法的燃油霧化流量預(yù)測值與試驗數(shù)據(jù)偏差較大(約為8.49%)。

數(shù)值模擬時采用不同的模型得到的結(jié)論有差異。研究發(fā)現(xiàn)，相較于輸運(yùn)PDF模型和條件矩模型，火焰面模型和動態(tài)增厚火焰模型在實際燃燒室點(diǎn)火計算中具有明顯優(yōu)勢。其原因是這兩種模型的計算量較小，計算精度滿足工程需要。此外，動態(tài)增厚火焰模型能捕捉點(diǎn)火過程中火焰的動態(tài)擴(kuò)散，可通過增厚火焰前鋒厚度達(dá)到大渦求解尺度并保持火焰?zhèn)鞑ニ俣炔蛔儊硖岣唿c(diǎn)火大渦模擬的計算準(zhǔn)確度。

綜合考慮計算精度以及運(yùn)算速度，相較于直接數(shù)值模擬和雷諾應(yīng)力模型數(shù)值模擬，大渦模擬具有一定優(yōu)勢，且模型朝著更符合實際的煤油蒸發(fā)和化學(xué)反應(yīng)模型、燃燒室內(nèi)部流動(包括旋流結(jié)構(gòu)、氣膜冷卻等)、出流條件影響等方向改進(jìn)。

3.3 試驗研究

運(yùn)用試驗的手段對燃燒室點(diǎn)火進(jìn)行研究，一是通過對試驗數(shù)據(jù)的分析、擬合，得到或修正各種預(yù)測模型中的各類經(jīng)驗常數(shù)；二是運(yùn)用高速攝影技術(shù)等現(xiàn)代化記錄手段描述燃燒室點(diǎn)火過程的細(xì)節(jié)，特別是火焰?zhèn)鞑サ穆窂?；三是通過試驗的手段研究不同因素對燃燒室點(diǎn)火性能的影響。

趙明龍等[14]開展了單頭部、扇形、全環(huán)點(diǎn)火試驗和油霧粒徑測量試驗(采用相位多普勒粒子分析儀)，得到了Lefebvre 燃燒室點(diǎn)火經(jīng)驗公式。林宇震等[15]僅使用副油路(單油路離心噴嘴)點(diǎn)火，在常溫常壓下開展了單頭部矩形燃燒室的點(diǎn)火性能試驗，并根據(jù)試驗所得數(shù)據(jù)對Jasuja關(guān)系式的系數(shù)進(jìn)行了修正，得到了無霧化空氣時的燃油索太爾平均直徑(SMD)預(yù)測方程。王延勝等[16]開展了單環(huán)腔中心分級燃燒室的常溫常壓和常溫低壓點(diǎn)火試驗，預(yù)估了燃燒室貧油點(diǎn)火邊界的燃油SMD，并指出影響燃燒室性能的主要參數(shù)是空氣總壓、空氣壓降、空氣流量和燃油SMD。黃兵等[17]對中心分級燃燒室變頻變能點(diǎn)火性能進(jìn)行了試驗研究，得出點(diǎn)火能量較點(diǎn)火頻率對點(diǎn)火性能的影響更為顯著，燃燒室進(jìn)口空氣流量和主燃區(qū)容積主要影響燃燒室參考速度，并結(jié)合Lefebvre和王延勝點(diǎn)火模型[16]，擬合得到離心噴嘴經(jīng)驗關(guān)系式。

隨著高速攝影等技術(shù)的發(fā)展，燃燒室點(diǎn)火試驗觀測手段逐漸豐富。Read 等[18]利用高速攝像技術(shù)、平面激光誘導(dǎo)熒光(PLIF)技術(shù)，描述了貧油直噴燃燒室高空再點(diǎn)火時火焰的形成和穩(wěn)定過程，并提出了一種可實現(xiàn)火核追蹤的圖像處理技術(shù)。Marchione等[19]借助PDPA、高速攝影技術(shù)，分析了液滴速度場、液滴粒徑和總當(dāng)量比(包括燃油液滴和燃油蒸氣)對燃燒室點(diǎn)火性能的影響，指出點(diǎn)火成功率與向霧化噴嘴傳播的火焰單元有關(guān)。Denton[20]對富油燃燒-猝熄-貧油燃燒燃燒室進(jìn)行了高空點(diǎn)火試驗，借助高速攝像討論了壓降、環(huán)境壓力和環(huán)境溫度對點(diǎn)火性能的影響，發(fā)現(xiàn)火核尺寸對點(diǎn)火性能影響較小，而火核的發(fā)展與氣流平均速度場密切相關(guān)。Dong等[21]通過試驗方法觀測了點(diǎn)火火核的時-空演變。

為研究不同因素對燃燒室點(diǎn)火性能的影響，通常采取試驗的手段進(jìn)行探索。付鎮(zhèn)柏等[22]采用RP-3航空煤油，在高空負(fù)壓工況下對不同臺階高度單頭部矩形試驗件的點(diǎn)火性能進(jìn)行了研究。代威等[23]測量了裝配不同旋流器的單頭部扇形燃燒室的點(diǎn)熄火性能。薛鑫等[24]分析了火焰筒壓力損失為2.0%、2.5%、3.0%時對雙旋流軸向旋流器的矩形三頭部燃燒室點(diǎn)火邊界的影響。林震宇等[25-27]研究了旋流器氣量分配、結(jié)構(gòu)變化、旋流數(shù)等對燃燒室點(diǎn)火性能的影響。

通過眾多燃燒室點(diǎn)火試驗研究，得出了一些規(guī)律性的結(jié)論。如火花位置影響火核的早期發(fā)展，當(dāng)火花位于回流區(qū)下游時，由于此處的燃油混合分?jǐn)?shù)適宜且氣流湍流強(qiáng)度較低，火核不會立即熄滅；但此處的平均軸向速度較高，而火核需逆流向上游傳遞，點(diǎn)火難度較高等。盡管目前已開展了大量的點(diǎn)火試驗研究，但其也存在以下局限性，一是試驗得出的經(jīng)驗常數(shù)通用性較差，對模型結(jié)構(gòu)及工況范圍的限制較為嚴(yán)格；二是試驗時測量手段有限，只是從宏觀角度觀察和利用試驗數(shù)據(jù)分析點(diǎn)火特性，未能深入機(jī)理進(jìn)行分析；三是試驗件加工水平參差不齊，試驗成本較高。

4 點(diǎn)火性能影響因素及改善方案

根據(jù)上述眾多研究結(jié)果，總結(jié)了影響燃燒室點(diǎn)火性能的幾個主要因素：①點(diǎn)火器位置；②電火花能量；③點(diǎn)火頻率；④點(diǎn)火器附近燃油的濃度、粒徑和局部流場拉伸、熱擴(kuò)散；⑤火焰?zhèn)鞑ヂ窂郊盎鹧娓繀^(qū)域的燃油濃度、粒徑和局部流場拉伸、熱擴(kuò)散；⑥火焰需滿足向上游傳遞的流動條件；⑦燃燒室進(jìn)口溫度；⑧燃燒室進(jìn)口壓力；⑨主燃區(qū)流場結(jié)構(gòu)(主回流區(qū)尺寸)等。在開展燃燒室相關(guān)設(shè)計時需重點(diǎn)關(guān)注這些因素。

根據(jù)影響燃燒室點(diǎn)火性能的主要影響因素，歸納出以下幾個燃燒室點(diǎn)火性能改善方案：①增加進(jìn)氣量——有助于改善燃油霧化質(zhì)量，從而提升點(diǎn)火性能；②提高進(jìn)口壓力——進(jìn)口溫度和流速一定時可降低點(diǎn)火油氣比，提升點(diǎn)火性能；③提高燃油溫度——有助于提升燃燒室點(diǎn)火性能；④提高噴嘴霧化性能——是提升點(diǎn)火性能的有效途徑。

5 結(jié)束語

綜合分析了多篇國內(nèi)外點(diǎn)火研究文獻(xiàn)，對現(xiàn)有燃燒室點(diǎn)火研究成果進(jìn)行了概述，總結(jié)了影響點(diǎn)火性能的主要因素，提出了改善點(diǎn)火性能的多個思路，后續(xù)點(diǎn)火研究可朝著以下幾個方面進(jìn)行深入探討：

(1) 在現(xiàn)有計算能力上，可將RANS 的模擬結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)相結(jié)合，開發(fā)一種基于試驗數(shù)據(jù)的RANS模擬方法。

(2) 隨著計算能力的提高，在大渦數(shù)值模擬方法基礎(chǔ)上，進(jìn)一步補(bǔ)充機(jī)理性研究試驗(包括流場試驗、油霧場試驗、點(diǎn)火延遲試驗等)，細(xì)化計算模型與計算方法，提高計算準(zhǔn)確性。

(3) 歸納總結(jié)已有的各種參數(shù)及模型對點(diǎn)火性能的影響，開發(fā)可預(yù)測發(fā)動機(jī)全包線點(diǎn)火邊界的工程設(shè)計方法。