頭部回流區(qū)對(duì)燃燒室點(diǎn)火性能的影響研究

李春江 彭劍勇 肖為 劉濤

（中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室點(diǎn)火過(guò)程的復(fù)雜性不言而喻，其包含了一系列的物理和化學(xué)相互作用；整個(gè)點(diǎn)火過(guò)程受控于燃燒室頭部回流區(qū)湍流流動(dòng)、油霧分布和火核運(yùn)動(dòng)。全環(huán)燃燒室的點(diǎn)火過(guò)程可以分為以下4個(gè)階段：第一階段，燃燒室頭部噴嘴供油后，在油壓的作用下，實(shí)現(xiàn)燃油霧化并與頭部的空氣進(jìn)行摻混形成混合油氣，繼而點(diǎn)火電嘴在高電壓的作用下，實(shí)現(xiàn)對(duì)外放電，形成初始火核。第二階段，在頭部回流區(qū)湍流場(chǎng)和油霧場(chǎng)適合點(diǎn)火的條件下，初始火核會(huì)逐漸發(fā)展壯大，但是對(duì)于點(diǎn)火延遲過(guò)程，初始火核會(huì)熄滅產(chǎn)生熱氣團(tuán)，熱氣團(tuán)逐漸隱匿生長(zhǎng)，再次產(chǎn)生火核并發(fā)展壯大，最終產(chǎn)生火焰，進(jìn)而點(diǎn)燃頭部回流區(qū)更多的燃?xì)狻５谌A段，湍流火焰會(huì)逐漸充滿整個(gè)頭部回流區(qū)，在回流區(qū)流場(chǎng)的作用下，實(shí)現(xiàn)火焰穩(wěn)定的燃燒，從而完成單個(gè)頭部的成功點(diǎn)火。第四階段，湍流火焰會(huì)從已燃頭部向未燃頭部傳播，點(diǎn)燃未燃頭部的新鮮混合油氣，實(shí)現(xiàn)全環(huán)燃燒室所有頭部的聯(lián)焰，進(jìn)而成功點(diǎn)燃全環(huán)燃燒室。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)燃燒室的點(diǎn)火過(guò)程開(kāi)展了一系列研究。William P.Jones[1]等采用大渦模擬的計(jì)算方法仿真出整個(gè)單頭部燃燒室的點(diǎn)火過(guò)程。研究了點(diǎn)火位置變化和尺寸大小對(duì)燃燒室點(diǎn)火性能的影響。結(jié)果表明，在燃燒室頭部回流區(qū)的剪切層附近點(diǎn)火更加容易成功，另外，初始火核的半徑為5mm點(diǎn)火失敗，將點(diǎn)火半徑增加為7.5mm時(shí)點(diǎn)火成功，并且數(shù)值模擬結(jié)果與高速攝影拍攝到點(diǎn)火過(guò)程基本相似。A.Neophytou[2]等通過(guò)采用大渦模擬的計(jì)算方法對(duì)三頭部燃燒室的點(diǎn)火以及聯(lián)焰過(guò)程進(jìn)行了模擬，并對(duì)比分析了計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果。探究了油霧液滴直徑和電嘴點(diǎn)火能量等參數(shù)對(duì)點(diǎn)火性能的影響。結(jié)果表明，液滴直徑越小，點(diǎn)火能量越大，越容易點(diǎn)燃。彭劍勇[3]等采用PIV分析了渦流器出口流場(chǎng)對(duì)燃燒組織的影響情況，研究得出，燃燒室頭部回流區(qū)面積的增大，軸向速度以及徑向速度分布梯度大，有利于拓寬燃燒室頭部的油霧場(chǎng)，進(jìn)而促使燃燒室具有較寬工作范圍。

本文采用粒子圖像測(cè)速儀（PIV）分析了的燃燒室頭部回流區(qū)之間的相互作用，獲得了燃燒室頭部回流區(qū)的流場(chǎng)云圖，揭示了頭部回流區(qū)對(duì)燃燒室點(diǎn)火性能的影響，驗(yàn)證了初始火核能夠穿越頭部回流區(qū)的邊界是燃燒室實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火成功的必要條件，總結(jié)出點(diǎn)火的最佳位置在頭部回流區(qū)低壓中心的正上方。

1.試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 PIV測(cè)試

由于全環(huán)燃燒室各個(gè)頭部之間流場(chǎng)會(huì)存在相互干擾，選用單頭部燃燒室試驗(yàn)件會(huì)測(cè)量不出各頭部流場(chǎng)之間的相互影響，所以設(shè)計(jì)了三頭部燃燒室矩形簡(jiǎn)化模型試驗(yàn)件，該試驗(yàn)件選自具有先進(jìn)點(diǎn)火性能的航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室，主要由噴嘴、渦流器、夾具、玻璃罩等組成。三頭部試驗(yàn)件可以很好地測(cè)試出燃燒室相鄰頭部之間的流場(chǎng)相互作用，這與燃燒室實(shí)際的工作狀況相似。

試驗(yàn)用的主要測(cè)試設(shè)備是粒子圖像測(cè)速儀（PIV），主要由激光發(fā)生器、激光臂、相機(jī)、同步控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)等組成，PIV測(cè)試系統(tǒng)圖如圖1所示，其中激光發(fā)生器的功率為200mJ，頻率為15Hz，相機(jī)分辨率為2048×2048，曝光時(shí)間間隔為3μs，速度測(cè)量精度為3%。

圖1 PIV測(cè)試系統(tǒng)圖

在試驗(yàn)的過(guò)程中，激光發(fā)生器發(fā)射出來(lái)的激光需要打在示蹤粒子上，才會(huì)被拍攝的相機(jī)捕捉，進(jìn)而映射出整個(gè)的流場(chǎng)情況，所以配置示蹤粒子發(fā)生器是本試驗(yàn)過(guò)程中必不可少的步驟之一。植物油各方面的物理特性完全符合試驗(yàn)所用示蹤粒子的要求，并且經(jīng)過(guò)示蹤粒子發(fā)生器噴入流場(chǎng)中，粒徑可達(dá)到1μm，進(jìn)而選用植物油的作為本試驗(yàn)的示蹤粒子。

1.2 點(diǎn)火試驗(yàn)

對(duì)某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的全環(huán)燃燒室進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖2所示，主要由進(jìn)氣段、位移旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、試驗(yàn)段、排氣段等組成。定義著火時(shí)間為供油開(kāi)始到燃?xì)鉁囟乳_(kāi)始上升的時(shí)間，聯(lián)焰時(shí)間為供油開(kāi)始到燃燒室出口熱電偶所測(cè)溫度都大于X℃的時(shí)間。著火時(shí)間越短，表明著火性能越好，反之則越差；聯(lián)焰時(shí)間越短，表明聯(lián)焰性能越好，反之則越差。

圖2 全環(huán)燃燒室試驗(yàn)裝置示意圖

2.試驗(yàn)結(jié)果與分析

本試驗(yàn)選用了2種不同型號(hào)的燃燒室：A型和B型燃燒室，2種燃燒室的區(qū)別僅在于頭部渦流器不同：A型燃燒室采用雙級(jí)渦流器，B型燃燒室采用三級(jí)渦流器。2種燃燒室頭部流場(chǎng)的PIV試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，著火時(shí)間和聯(lián)焰時(shí)間如圖4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，A型燃燒室的點(diǎn)火位置不在頭部回流區(qū)低壓中心的正上方，B型燃燒室的點(diǎn)火位置在頭部回流區(qū)低壓中心的正上方；B型燃燒室的著火性能和聯(lián)焰性能是明顯優(yōu)于A型燃燒室的，這表明點(diǎn)火位置在頭部回流區(qū)低壓中心的正上方的燃燒室點(diǎn)火性能最優(yōu)。2種燃燒室相鄰頭部之間的流場(chǎng)是存在相互干擾的，A型燃燒室的相鄰頭部回流區(qū)的干擾強(qiáng)度相比于B型燃燒室更強(qiáng)，并且A型燃燒室的頭部回流區(qū)沒(méi)有B型燃燒室的飽滿、一致性好。所以燃燒室想要獲得更加穩(wěn)定的點(diǎn)火，燃燒室各個(gè)頭部回流區(qū)應(yīng)該盡量相互獨(dú)立，并且各個(gè)回流區(qū)要飽滿，具有一致性，這樣點(diǎn)火過(guò)程中初始火核才不會(huì)由于回流區(qū)之間的相互干擾作用而被耗散，致使火核被熄滅。另外，各個(gè)回流區(qū)相互獨(dú)立，相鄰回流區(qū)的氣流擾動(dòng)弱，回流區(qū)的邊界會(huì)相對(duì)穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生大量的湍流渦團(tuán)，這是有利于初始火核穿越回流區(qū)的邊界的。

圖3 燃燒室頭部流場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

圖4 燃燒室的著火時(shí)間和聯(lián)焰時(shí)間

高保真模擬和高速可視化測(cè)量是研究燃燒室點(diǎn)火及聯(lián)焰過(guò)程和機(jī)理的有效手段。Yingjie Qiao[4]等對(duì)單頭部燃燒室的點(diǎn)火過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究。結(jié)果表明火焰核心能否進(jìn)入頭部回流區(qū)是燃燒室點(diǎn)火成敗的關(guān)鍵因素。肖為[5]等采用光學(xué)相機(jī)拍攝單頭部燃燒室內(nèi)的點(diǎn)火過(guò)程，得到了電火花點(diǎn)火的火核傳播過(guò)程圖像。研究表明，電嘴放電加熱了附近的油氣，隨后形成一個(gè)熱氣核。燃燒從熱氣核中心向外傳播，并逐漸形成一個(gè)初始火核，一部分子火核進(jìn)入頭部回流區(qū)內(nèi)部，而其余子火核向頭部回流區(qū)下游移動(dòng)。通過(guò)文獻(xiàn)[4-5]的研究結(jié)果，結(jié)合本文試驗(yàn)結(jié)果，可以得出，燃燒室點(diǎn)火過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)初始火核分裂的現(xiàn)象，初始火核分裂為兩部分，一部分進(jìn)入頭部回流區(qū)，火核（或火核衍變成的熱氣團(tuán)）會(huì)繼續(xù)發(fā)展壯大，進(jìn)而點(diǎn)燃整個(gè)燃燒室；另一部分被回流區(qū)邊界的湍流渦團(tuán)氣流所耗散，并隨氣流離開(kāi)頭部回流區(qū)，直至熄滅。這進(jìn)一步證明了頭部回流區(qū)邊界的穩(wěn)定，會(huì)更好地促使初始火核運(yùn)動(dòng)進(jìn)回流區(qū)內(nèi)部，否則，回流區(qū)的邊界相互擾動(dòng)產(chǎn)生大量的湍流渦團(tuán)，致使邊界不穩(wěn)定，初始火核穿越回流區(qū)邊界勢(shì)必會(huì)消耗大量的能量，從而點(diǎn)火可靠性會(huì)隨之下降。綜上所述，燃燒室各個(gè)頭部回流區(qū)之間的干擾不能太強(qiáng)，盡量保證各個(gè)回流區(qū)獨(dú)立，并且飽滿、充盈，具有一致性，使得初始火核（或火核衍變成的熱氣團(tuán)）更好地在回流區(qū)內(nèi)“孕育”壯大，進(jìn)而點(diǎn)燃整個(gè)燃燒室頭部，實(shí)現(xiàn)成功點(diǎn)火。點(diǎn)火位置應(yīng)盡量位于頭部回流區(qū)低壓中心的正上方，燃燒室會(huì)獲得更好的點(diǎn)火性能。

3.結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)燃燒室頭部回流區(qū)的流場(chǎng)進(jìn)行PIV測(cè)量分析以及點(diǎn)火試驗(yàn)研究，獲取了燃燒室相鄰頭部之間的流場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比了兩型燃燒室的點(diǎn)火性能，主要得出了以下結(jié)論：

（1）燃燒室點(diǎn)火過(guò)程中，初始火核能夠穿越頭部回流區(qū)邊界進(jìn)入回流區(qū)內(nèi)部是實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火成功的必要條件。燃燒室點(diǎn)火的最佳位置在頭部回流區(qū)低壓中心的正上方，即在該位置初始火核會(huì)更容易穿越回流區(qū)邊界。

（2）燃燒室頭部回流區(qū)形態(tài)飽滿并具有一致性是提升點(diǎn)火性能的關(guān)鍵因素，充盈的頭部回流區(qū)可以更好地“孕育”初始火核，使得火核在回流區(qū)內(nèi)部發(fā)展壯大，從而可以點(diǎn)燃整個(gè)燃燒室。

（3）燃燒室各個(gè)頭部回流區(qū)之間的相互干擾，對(duì)點(diǎn)火性能有著極大的影響；相互獨(dú)立的頭部回流區(qū)，其邊界較穩(wěn)定，初始火核可以更加容易的穿越邊界進(jìn)入回流區(qū)內(nèi)部，燃燒室點(diǎn)火性能更好。