加熱方式對煤油燃料超聲速燃燒室性能影響

宋文艷, 王艷華

(西北工業大學 動力與能源學院, 西安 710072)

0 引 言

在超燃沖壓發動機地面試驗中，為了模擬飛行狀態下發動機的高焓空氣來流，國內外廣泛采用燃燒加熱方式對試驗空氣進行加熱升溫。采用燃燒加熱方式獲得的試驗來流中含有H2O、CO2及自由基等污染組分，污染組分的存在使試驗空氣的物理化學特性、熱力學性質與真實大氣存在差異，從而對發動機燃燒反應過程、點火和熄火特性、火焰傳播特性以及燃燒釋熱規律等產生影響，導致地面試驗結果不能直接反映真實飛行條件下發動機的工作狀態[1-8]。

Virginia大學研究人員針對氫氣或乙烯燃料雙模態超聲速燃燒室，開展了主要污染組分H2O、CO2對燃燒室性能影響試驗研究[9-12]。在Virginia大學電阻加熱器產生的純凈空氣來流中添加污染組分H2O、CO2，可以獲得高達1200K的污染空氣來流。基于此設備，Virginia大學開展了純凈空氣來流和污染空氣來流的燃燒室對比試驗。研究結果表明：(1)H2O、CO2污染對超聲速燃燒室性能存在顯著影響，尤其是在燃燒室發生模態轉換的當量比范圍內；(2)與純凈空氣來流相比，污染空氣來流狀態下燃燒室發生模態轉換對應的當量油氣比更高，且在變當量比燃燒室對比試驗中發現，污染組分的存在會導致燃燒室發生模態轉換路徑改變；(3)相對于純凈空氣來流，添加摩爾分數3.0%的H2O時，燃燒室壁面壓力和推力明顯下降，但是繼續增加H2O的摩爾分數至6%、9%和12%時，燃燒室性能僅產生較小的額外減小；(4)相對于H2O，CO2污染對燃燒室的性能影響更大，這說明在地面試驗中，采用純氫氣燃料比采用碳氫燃料燃燒加熱來流，燃燒室性能與純凈空氣來流時差異更小。

日本東北大學在Virginia大學研究的基礎上，基于相同的雙模態超聲速燃燒室構型，采用氫燃燒加熱試驗系統，研究了污染試驗來流匹配方式對燃燒室點火和火焰穩定性能的影響[13-14]。污染試驗來流分別匹配了純凈空氣來流時的總焓(VAH，1120K)和總溫(VAH，1200K)。試驗結果表明：污染來流匹配總溫，燃燒室點火性能與純凈空氣來流的差別最小；污染來流匹配總焓，燃燒室火焰穩定極限對應的當量比與純凈空氣來流最接近，燃燒室壁面壓力分布試驗結果與純凈空氣來流結果最吻合。

日本宇航院研究人員在20世紀90年代開展了氫燃料超燃沖壓發動機整機自由射流試驗。試驗分別采用蓄熱式(純凈空氣來流)和氫燃料燃燒加熱方式(污染空氣來流)模擬了飛行條件馬赫數6的空氣來流[15-16]。對比試驗結果顯示：純凈空氣來流時，發動機不起動時對應的氫氣當量比為0.40，污染空氣來流時，當量比上升至0.75，激波串起始位置向上游移動至隔離段之前，從而導致發動機進氣道不起動；相同當量比下，污染空氣來流時的發動機壁面壓力和發動機推力均小于純凈空氣來流；污染空氣來流時發動機推力下降的2/3是來流條件的差異造成的。法國、意大利等國研究人員也對地面試驗存在的污染效應問題開展了試驗和數值模擬研究。Ingenito等[17]針對Lapcat飛行器燃燒室開展了污染組分(H2O、OH)對氫燃料發動機性能的影響研究，通過純凈空氣來流和污染空氣來流下數值模擬結果對比分析，得出了發動機性能外推至真實飛行狀態下的估算公式。

甲烷燃燒加熱器作為目前超燃沖壓發動機地面試驗廣泛采用的來流氣體加熱設備，其產生的試驗來流中含有的主要污染組分H2O和CO2摩爾分數更大，對試驗結果影響也更大。本文采用電阻加熱和甲烷燃燒加熱直連式試驗系統，開展來流加熱方式對煤油燃料超聲速燃燒室燃燒性能的影響研究。在兩種試驗來流加熱方式下，對比分析不同當量比時燃燒室壁面壓力分布，結合煤油燃燒可見光火焰高速攝像圖像，討論污染組分對煤油燃燒可見光的影響，給出兩種加熱方式下的煤油燃燒火焰傳播角度。

1 試驗設備與測量方法

圖1為西北工業大學電阻加熱燃燒室直連式試驗系統示意圖。該設備可提供最大空氣流量0.5～1.5kg/s、總壓0.2～2.5MPa、總溫400～1000K的純凈空氣來流，具備模擬飛行馬赫數3～4.5的超燃沖壓發動機燃燒室入口來流條件的能力。圖2為甲烷燃燒加熱燃燒室直連式試驗系統示意圖。該設備采用甲烷/空氣/氧氣燃燒方式實現對試驗來流的加熱(其中氧氣添加量保證燃燒加熱器出口氣流中氧氣的摩爾分數為21%)，具備總溫850～2100K、總壓0.8～4.0MPa、主流空氣流量0.5～2.5kg/s的模擬能力，覆蓋模擬飛行馬赫數4～7的燃燒室入口條件。由于采用甲烷燃燒加熱方式，加熱器出口氣流中除主要污染組分H2O、CO2之外，還含有OH、CxOy、NxOy等燃燒中間產物。在這兩套試驗設備的基礎上，已經開展了氫氣/碳氫燃料超聲速燃燒室點火、火焰穩定、燃料噴射、霧化/混合、燃燒組織技術等多項基礎研究。在對比試驗中，電阻加熱設備、甲烷燃燒加熱設備分別通過調節電功率和空氣流量、調節加熱器本體各氣路流量匹配關系的方式來實現對燃燒室入口來流參數的控制。在本文試驗條件下，通過CHEMKIN軟件計算分析得到，燃燒室入口氣流中含有4.5%的H2O和2.3%的CO2，自由基含量微乎其微，可以忽略不計。

圖3為超聲速燃燒室試驗模型結構示意圖。試驗模型采用單凹槽火焰穩定器，氫氣在凹槽內垂直于壁面噴入燃燒室，煤油通過凹槽上游2個Φ0.35mm的噴嘴垂直噴入燃燒室。試驗中火花塞首先點燃先鋒氫氣，煤油噴入后被先鋒氫氣點燃，氫氣關閉，煤油穩定燃燒2s后試驗結束。試驗模型上壁面安裝35個量程為0～0.6MPa的壓力傳感器，其滿量程誤差為±0.25%，測量頻率為1500Hz。除了采集燃燒室沿程壁面壓力分布，還采用高速攝像技術拍攝了燃燒室凹槽位置的煤油燃燒可見光火焰圖像，拍攝頻率4000幀/s，曝光時間0.25ms，圖像分辨率512pixel×128pixel。煤油燃燒可見光火焰圖像可以轉換為一個基于亮度的二維矩陣，通過圖片亮度變化可以處理得到煤油燃燒可見光火焰邊界。本文給出的火焰圖像均采用煤油單獨燃燒后0.5～1.0s時間段的2000張高速圖像平均而得。圖4給出了純凈空氣來流條件下、當量比為0.32時燃燒室模型凹槽位置的時均可見光火焰圖像。圖中白色斷續線為屏蔽干擾信號后，通過定義一個可見光亮度等值線得到的火焰或燃燒區邊界。對火焰邊界作進一步處理，可以得到可見光火焰傳播角度(圖中黃色點劃線所示)，定義α為煤油燃燒火焰向主流傳播的角度。雖然高速攝像拍攝到的是可見光圖像，不能真實反應煤油燃燒的反應放熱區，但在一定程度上呈現了煤油燃燒區的位置。

2 結果與討論

圖5給出了在兩種加熱方式下冷流時燃燒室試驗模型沿程壁面壓力分布對比(ERK)。考慮到試驗來流中污染組分的存在會導致設備噴管出口(燃燒室入口)試驗氣體的靜壓改變，為了更好地對比分析試驗結果，燃燒室壁面壓力分布圖中的縱坐標均采用燃燒室入口靜壓pin進行無量綱化處理，橫坐標采用燃燒室模型總長度L進行無量綱化處理。從圖5可以看出，在隔離段內，超聲速氣流與隔離段壁面的摩擦造成了氣流速度下降，靜壓升高；進入凹槽段后，由于實際流通面積先增大后減小，燃燒室壁面壓力表現出先下降后上升的趨勢；在凹槽下游，氣流流通面積不斷增大，使超聲速氣流不斷加速，燃燒室壁面壓力呈下降趨勢。

圖6和7給出了不同煤油當量比(ERK)、兩種加熱方式下的燃燒室沿程壁面壓力分布。可以看出，在不同當量比下，純凈空氣來流和污染空氣來流的燃燒室壁面峰值壓力位置幾乎相同，均位于凹槽后緣處。在當量比為0.22、純凈空氣來流時，隔離段出口/燃燒室入口的壁面壓力高于冷流時的壁面壓力，這表明較高的燃燒誘導壓升已經導致邊界層分離，燃燒室內形成激波串，激波串起始位置向上游移動至隔離段內；甲烷燃燒加熱來流時，燃燒室內反壓未導致隔離段內形成預燃激波串。隨著煤油當量比增加，燃燒誘導壓升不斷升高并通過附面層向上游擾動，最終導致預燃激波串不斷向上游移動。在當量比0.38、純凈空氣來流時，隔離段入口下游10mm位置處的壁面壓力高于冷流時的壁面壓力，表明此時燃燒室已經達到富油工作極限。繼續增加煤油流量，激波串的起始位置將擾動至隔離段入口之前，激波串進入設備噴管。此時設備噴管出口馬赫數不再為2.0，也就是說，設備噴管已經不能正常工作。在超燃沖壓發動機實際工作過程中，這種激波串擾動至隔離段入口的情況是不允許的，嚴重時會導致發動機無法正常工作。對比甲烷燃燒加熱來流試驗結果發現，當量比為0.38時，燃燒室壁面峰值壓力相對于純凈空氣來流下降了0.27，隔離段內激波串起始位置后移了25mm。

從圖6和7對比可以看出：相對于電阻加熱試驗來流，在甲烷燃燒加熱試驗來流條件下,隔離段出現激波串時對應的當量油氣比上升；相同當量比時，甲烷燃燒加熱試驗來流下的燃燒室壁面峰值壓力較低。在當量比為0.22、0.28、0.32、0.35和0.38時，甲烷燃燒加熱來流條件下的燃燒室壓力峰值相對于純凈空氣來流分別下降了3.1%、5.4%、6.9%、5.0%和4.8%；同時，激波串起始位置相對于純凈空氣來流也表現出不同程度的后移。

在本文試驗條件下產生這一現象的原因主要有兩點：(1)H2O和CO2作為反應物直接參與點火反應。邵菊香[18]、梁金虎[19]等開展的研究結果表明，H2O和CO2污染組分對碳氫燃料點火延遲時間的影響依賴于具體工況。在本文條件下，雖然在H2O+O=2OH反應中，H2O表現出了對OH生成的促進作用，但是H2O比N2具有更大的三體系數，H2O以第三體(M)身份直接參與H自由基的生成和消耗反應(H+O2+M=HO2+M)以及HCO+M=H+CO+M反應，二者總的反應效果表現為H的生成速率降低。H生成速率的降低，進一步通過反應H+O2=OH+O和H+HO2=2OH降低了OH的生成速率。而CO2為多原子分子，具有較大的三體系數，CO2的存在同樣降低了H和OH的生成速率，并最終表現出對煤油點火的抑制作用。(2)H2O和CO2污染組分的存在，導致在甲烷燃燒加熱方式下的來流環境熱容增加。Würmel等[20]通過動力學模擬證明，在燃燒化學反應放熱過程中，環境熱容增加將使體系溫度升高的速率減慢，不利于后續鏈反應加速發生。另外，環境熱容增加還將導致化學反應速率降低，使燃燒反應過程的溫度上升速率變慢，并反過來降低煤油燃燒化學反應速率，最終表現為甲烷燃燒加熱方式下的反應區位置后移。以上兩種影響因素互相耦合、互相促進，最終產生前述試驗現象。

從壁面壓力對比試驗結果可以看出，污染組分對燃燒室性能存在明顯的影響。為了深入研究污染組分對煤油燃燒的影響，在兩種加熱方式下、相同煤油當量比的對比試驗中，采用高速攝像技術拍攝了燃燒室凹槽位置的可見光火焰圖像。圖8為純凈空氣來流時燃燒室凹槽位置的可見光火焰圖像。當量比較小(ERK=0.105)時，可見光火焰很小，且主要分布于凹槽回流區底部。此時，凹槽回流區幾乎占據了整個凹槽，剪切層將主流和回流區分開。煤油從凹槽上游噴入燃燒室之后，與來流空氣混合并與凹槽剪切層相互作用，從而被輸運至凹槽剪切層和凹槽回流區內。由于剪切層內有著豐富的氧氣，剪切層上方的燃料不斷被輸運至剪切層內，所以燃燒的起始位置始終位于凹槽剪切層內。煤油/空氣混氣在凹槽回流區內充分燃燒、釋熱，其高溫燃燒產物不斷向凹槽剪切層提供熱量和自由基，從而縮短燃料的點火延遲時間。同時，剪切層內必然存在一個位置，此處的火焰傳播速度與氣流速度相等，即火焰基底(Flame base)位置。由于湍流脈動的存在，火焰基底呈現出一定程度的脈動，但其會迅速調整位置并達到新的平衡。當量比為0.105時，火焰基底距離凹槽前緣大約32mm。

隨著煤油當量比增大，其噴射壓力增大，煤油/空氣來流動量比增大，煤油穿透深度增加，煤油與來流空氣混合更加充分。當量比0.22時，火焰基底位置比當量比0.105時向上游移動了10mm，同時燃燒火焰長度變長，幾乎充滿整個凹槽的回流區部分。繼續增加當量比至0.28時，燃燒火焰亮度提高，火焰基底繼續向前移動了9mm左右，燃燒火焰向主流傳播高度增加，但燃燒反應區仍主要集中在凹槽內。當量比0.32時，燃料/空氣來流動量比增加，煤油噴射高度增加，更多煤油與主流氣流摻混后進入主流。此時凹槽內燃燒引起的壓升迫使凹槽剪切層向主流偏轉，同時其火焰與高溫產物進入主流并點燃了主流內的煤油/空氣混氣。當量比0.35時，更高的噴射壓力使得煤油噴射高度繼續增加，火焰基底向上游移動至距離凹槽前緣5mm的位置，燃燒反應區域明顯擴大，幾乎占據了整個流道高度的一半。當量比增加至0.38(即燃燒室富油極限)，煤油燃燒火焰基底位置緊貼凹槽前緣點，可見光火焰長度、向主流傳播的高度更大。

圖9為甲烷燃燒加熱來流煤油燃燒可見光火焰圖像。與純凈空氣來流可見光火焰圖像對比發現：相同當量比條件下，甲烷燃燒加熱來流時的可見光火焰基底位置相對靠后，燃燒火焰區更小。當量比較小(ERK=0.135)時，與純凈空氣來流情況相似，煤油燃燒火焰區域很小，且主要分布在凹槽回流區底部，但火焰基底位置更靠后。與純凈空氣來流相比，在相同當量比下，污染來流的煤油/空氣來流動量比相差不大，因此相同當量比下的煤油穿透深度的差別可以忽略不計。隨著當量比上升，可見光燃燒火焰區域變大，火焰基底位置向上游移動(如圖10所示)。煤油當量比為0.22、0.28和0.32時，火焰基底位置分別位于凹槽前緣下游25、15和9mm處，相對于純凈空氣來流分別后移了3、2和2mm;當量比增加至0.35及以上時，火焰基底位置基本與純凈空氣相同，但是煤油燃燒火焰區域相對于純凈空氣有著不同程度的縮小。

從圖8和9可以看出，兩種加熱方式下的煤油燃燒火焰穩定模式均為凹槽火焰穩定模式，火焰基底穩定于凹槽剪切層內，火焰前鋒以相對固定的角度向主流傳播。對圖8和9的可見光圖像作進一步處理，可以得到各狀態下的可見光火焰傳播角度α。圖11為電阻加熱和甲烷燃燒加熱來流時不同煤油當量比下的煤油燃燒火焰傳播角度，橫坐標為煤油當量比，縱坐標為火焰傳播角度。可以看出：隨著煤油當量比上升，火焰傳播角度不斷變大，且在小當量比時變化速率更快，較大當量比時變化速率相對較小；與電阻加熱試驗來流相比，甲烷燃燒加熱來流下的火焰傳播角度更小。與電阻加熱方式的純凈空氣來流相比，在采用甲烷燃燒加熱器產生污染空氣來流時，煤油燃燒向主流的傳播角度下降了7.1%～12.4%。

綜合以上試驗數據發現，兩種試驗來流加熱方式下的煤油燃燒可見光火焰圖像存在很大差別，產生差別的主要原因是甲烷燃燒加熱來流中包含純凈空氣中不存在的污染組分(H2O、CO2以及微量自由基)。污染組分的存在不僅延長了煤油點火延遲時間，而且降低了煤油燃燒的絕熱火焰溫度[11]。點火延遲時間的延長和燃燒溫度的降低進一步導致了燃燒火焰傳播速率的降低。假設火焰前鋒上游的氣流速度一定，火焰前鋒的傳播速度正比于傳播角度α。根據圖6和7給出的燃燒室壁面壓力分布可知，相同當量比時，甲烷加熱方式下的激波串起始位置靠后，因此可見光火焰前鋒位置的氣流速度更快。氣流速度的增大和火焰傳播速率的降低，均會導致煤油燃燒火焰向主流傳播的角度降低，并最終導致上述試驗結果。

3 結 論

本文研究了試驗來流加熱方式對煤油燃料超聲速燃燒室燃燒特性的影響。在對比試驗中，基于電阻加熱和甲烷燃燒加熱直連式試驗系統，采用高速攝像技術拍攝了不同加熱的超聲速燃燒室煤油燃燒可見光火焰圖像。與電阻加熱方式下的試驗來流相比，甲烷燃燒加熱來流中含有H2O、CO2等主要污染組分(摩爾分數分別為4.5%、2.3%)以及微量OH、H、CH等自由基。對比試驗結果顯示：與純凈空氣來流相比，甲烷燃燒加熱來流條件下的燃燒室壁面壓力更低，其下降程度最大可達6.9%。結合高速攝像發現：相比于純凈空氣來流，甲烷燃燒加熱來流時的煤油火焰傳播角度下降了7.1%～12.4%。