乙烯高速射流點火過程試驗研究

劉 冰, 何國強, 秦 飛

(西北工業大學 燃燒、熱結構與內流場重點實驗室, 西安 710072)

0 引 言

高速流動條件下的碳氫燃料點火和火焰穩定是超燃沖壓發動機燃燒室的重要關鍵技術[1]，在毫秒級的駐留時間內實現有效摻混、點火和火焰穩定是發動機燃燒室的關鍵問題[2-4]。

在實際發動機燃燒室中，支板和凹腔等火焰穩定裝置使流動狀態變得復雜，研究人員很難建立流動和燃燒之間的直接關系。為了從機理角度認識高速流動條件下的點火過程，國內外的學者采用了多種簡化手段進行分析研究。Oldenhof[5-8]基于高溫空氣同軸射流火焰對甲烷的點火過程進行了試驗研究，發現提高伴流溫度或者加入少量的大分子烷烴能夠增加點火概率，并且能夠降低抬升距離。Gordon[9-10]使用同樣的構型研究發現高溫空氣中射流火焰的穩定機制為自點火過程穩定。沈雪豹[11-12]研究了甲烷和丙烷在熱伴流條件下的射流火焰的抬升與其穩定性，對不同伴流條件下的火焰抬升高度行了分析。對碳氫燃料在高溫空氣中的擴散燃燒特征的研究，能夠為揭示高速流動條件下的燃燒機理提供重要的依據。

目前的研究主要集中在伴流條件為貧燃，并且中心射流多為甲烷、氫氣或者低速流動[5-14]。本文針對沖壓發動機燃燒室中富燃燃氣點火[15]過程設計了一套伴流為低速富燃燃氣，中心射流為高速射流的高溫同軸射流試驗裝置，通過開展乙烯高速射流點火過程試驗研究，分析了不同伴流當量比和中心射流噴注壓力對點火過程的影響，加深對乙烯高速射流在富燃燃氣條件下點火過程的了解。

1 試驗裝置

圖1為高溫同軸伴流試驗裝置示意圖，中心為直徑1mm的噴嘴，伴流直徑為80mm，燃料管長700mm，為了防止出現回火，使中心噴嘴比伴流高20mm。中心噴嘴使用的是純乙烯，燃料總溫300K，噴嘴為收斂噴管，因此噴嘴出口最大馬赫數為1，靜溫為268.7K，乙烯比熱比為1.233，由聲速公式計算噴嘴出口的速度為313.6m/s。實驗中通過改變中心噴嘴的噴注壓力(總壓)達到不同的射流速度(當噴嘴出口的靜壓大于大氣環境壓力的時候，燃料射流會繼續膨脹加速達到更大的速度)和燃料流量。在燃料管的入口處安裝有一個電磁閥，由于噴嘴直徑較小，且噴注壓力均大于或等于噴嘴臨界狀態的總壓，因此當電磁閥開孔大于1mm時燃料管內氣流就能迅速達到穩定狀態，該過程時間較短，在實驗中忽略不計。

伴流使用的是乙烯和空氣的混合物，乙烯和空氣分別從試驗裝置底部進入，經過5塊多孔板進行摻混，然后在蜂窩板處認為達到了完全預混，最后在蜂窩板上點燃預混氣，伴流流速1.5m/s，通過改變預混氣的當量比，獲得不同的溫度和組分。使用高速攝像機記錄中心射流從開始噴注到最后穩定的整個過程，攝像機的采樣率為10kHz，圖片分辨率為354pixel×1380pixel。

圖1 試驗裝置示意圖

2 試驗結果與分析

2.1 試驗條件

試驗通過研究不同噴注壓力和伴流當量比下的圖像，探究噴注壓力和伴流當量比對點火過程的影響，具體工況表如表1所示，表1中的參數由氣動公式計算得到。φ表示伴流當量比；p表示中心射流的噴注壓力；v表示乙烯射流膨脹加速后達到的最大速度；u表示伴流速度。表2為不同伴流當量比下的伴流溫度和組分質量分數(由Cantera開源程序計算獲得)。

表1 試驗工況Table 1 Experimental conditions

表2 伴流的溫度和組分質量分數Table 2 Temperature and species mass fraction of coflow

2.2 伴流當量比對點火過程的影響

使用高速攝像機對中心射流的點火過程進行詳細記錄，由于試驗研究的是高速流動條件下的擴散燃燒過程，文獻[16]中將乙烯火焰亮度的強弱視為燃燒釋熱量的大小，因此在本文中將火焰亮度的強弱視為釋熱量的大小。圖2為工況1(φ=1.4，v=345m/s)和工況2(φ=1.6，v=345m/s)點火過程中亮度隨時間變化的結果，可以看出工況1中高亮度值的面積大于工況2高亮度值的面積，因此可認為工況1的釋熱量比工況2大。為了定量研究點火過程釋熱量的變化，對圖2拍攝區域每幅圖片的亮度值進行求和，并且基于工況1點火過程中的最大亮度值對所有的工況進行歸一化處理。圖3為工況1和2歸一化后的總亮度值隨時間的變化，從圖中可以看出點火過程主要分為4個階段：(1) 0～A1和0～B1，在這個過程中，乙烯從噴嘴出來以后速度先升高后降低，并且和伴流進行劇烈摻混，在這個階段內沒有發生劇烈的化學反應；(2) A1～A2和B1～B2，在這個過程中，乙烯和空氣發生了劇烈的化學反應，釋熱量迅速的增大；(3) A2～A3和B2～B3，在這個過程中，高溫火焰在火焰下游與冷空氣劇烈摻混，火焰亮度變弱，在火焰下游發生了熄火現象，因此出現了火焰總亮度急劇下降的現象；(4) A3～120ms和B3～120ms，火焰到達了穩定狀態。

圖2 工況1和2的點火過程

結合圖2和3，在第1個階段內：2個工況開始著火的時間均為20ms，這是因為只有燃料積累到一定濃度時才會發生著火；在第2個階段內：工況1的斜率大于工況2，工況1在65ms處達到最大值，工況2在50ms處達到最大值，這是因為乙烯燃料發生了快速的燃燒過程，火焰亮度和釋熱量迅速增大，且伴流當量比為1.4時乙烯火焰亮度和釋熱量均較大；在第3個階段內：經過第2個階段的迅速燃燒，第1個階段內積累的燃料消耗殆盡，且高溫火焰在下游與冷空氣混合并發生了熄火，使得工況1和2的火焰亮度和釋熱量均下降，工況1在100ms處達到火焰穩定，工況2在90ms處達到火焰穩定；在第4個階段內：工況1和2的火焰均達到了穩定狀態，工況1比2的火焰總亮度值大，這里也反映出伴流當量比1.4要比1.6對乙烯射流的點火更有效。

圖3 點火過程中工況1和2總亮度值隨時間的變化

2.3 中心乙烯射流噴注壓力對點火過程的影響

圖4為工況1(φ=1.4，v=345m/s)和工況3(φ=1.4，v=439m/s)點火過程中火焰亮度隨時間變化的結果。從圖中可以看出,在0～50ms，2個工況的亮度差別不大，經過50ms后，工況1的亮度比工況3的亮度大，因此在0～50ms過程2個工況釋熱量一樣，在50ms后，工況1釋熱量比工況3釋熱量大，這是因為工況1和3伴流當量比均為1.4。為了定量研究中心射流噴注速度對點火過程的影響，對圖4拍攝區域的每幅圖片的亮度值進行求和，并且基于工況1點火過程中的最大亮度值對所有的工況進行歸一化處理。圖5為工況1和3歸一化后的總亮度值隨時間的變化。從圖中可以看出，工況3的點火過程與工況1類似，同樣分為4個階段，分為：(1) 0～C1，伴流和主流摻混，沒有劇烈化學反應發生；(2) C1～C2，主流和空氣發生劇烈的化學反應，釋熱量迅速增大；(3) C2～C3，高溫火焰在下游遇到冷空氣發生熄火，火焰亮度變弱；(4) C3～120ms，火焰達到穩定狀態。

圖4 工況1和3的點火過程

結合圖4和5，在第1個階段內：工況1和3開始著火的時間均為20ms；在第2個階段內：在20～50ms過程中2個工況的總亮度值增長斜率是一樣的，這是因為2個工況的伴流當量比均為1.4，伴流對射流的點火效果是一樣的，工況3在50ms處火焰總亮度值達到最大值，這是因為工況3中心射流最大速度為439m/s，冷態乙烯積累較多，使得火焰亮度迅速減弱，且火焰釋熱量變小；在第3個階段內：火焰在下游和冷空氣的劇烈混合導致了火焰下游亮度減弱并發生了熄火，所以總亮度值持續下降，工況1在100ms處火焰達到穩定狀態，工況3在90ms處達到穩定狀態；在第4個階段內：工況1和3均達到了穩定狀態，2個工況的伴流當量比一樣，工況3的乙烯射流速度和流量均比工況1大，導致了乙烯不充分燃燒且釋熱量減小，使得工況3在穩定狀態的火焰總亮度值低于工況1.

圖5 點火過程中工況1和3總亮度值隨時間的變化

3 結 論

建立了用于研究乙烯高速射流點火的高溫同軸伴流試驗裝置，使用高速攝像機記錄了乙烯從噴嘴出來到最后穩定的整個過程，詳細分析了乙烯射流的點火過程，并且得到了以下結論：

(1) 乙烯高速射流在富燃燃氣中的點火過程主要分為4個階段：(a) 主流和伴流摻混；(b) 主流和空氣發生劇烈化學反應；(c) 火焰在下游遇到冷空氣發生局部熄火；(d) 火焰達到穩定狀態。

(2) 伴流當量比1.4比1.6對乙烯高速射流的點火作用更強，且伴流當量比1.6使乙烯高速射流火焰具有較多的局部熄火和較低的釋熱量。

(3) 隨著乙烯高速射流速度的增大，伴流當量比對射流的點火作用不變，但是速度的增大會導致較弱的火焰亮度和較低的釋熱量。

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