橫向來流對等離子體點火器射流特性的影響

趙志宇，張偉嘉，何立明，劉 雄，趙兵兵，雷健平，費 力

(1.空軍工程大學飛行器與動力工程系，西安，710038; 2.西華大學計算機與軟件工程學院，成都，610039)

隨著飛機飛行包線的不斷擴展，航空發動機燃燒室的點火條件愈加惡劣，一旦飛機在高空或高速飛行過程中發生熄火，則很難再次點燃[1]。對于航空發動機而言，在飛行包線內實現快速、有效、穩定的點火是最基本的設計要求之一[2]。近年來，等離子體被稱為物質存在的第四態[3]，受到了國內外學者的高度關注，其本身所具有的熱效應、動力效應和輸運效應[4]，可以應用到燃燒室點火之中。根據點火器結構和放電形式的不同，目前主要的等離子體點火方式有等離子體射流點火、滑動弧等離子體點火和激光誘導等離子體點火[5-7]等。其中等離子體射流點火技術中電弧擊穿工作介質氣體來流產生等離子體，相比航空發動機傳統的電火花點火方式，等離子體射流點火方式具有點火能量大、射流溫度高、穿透能力強等優點，能有效縮短點火延遲時間[8-10]，擴大貧/富油點火邊界，提高點火的快速性、有效性和可靠性，對于提高航空發動機的性能具有重要意義。

目前，國內外專家學者對等離子體射流點火技術進行了大量的研究。國外方面，Mun Seok Choe等[11]研究了定容燃燒室環境下等離子體射流對燃燒過程的影響，研究發現等離子體射流在燃燒擴散方面具有優勢。Walsh J L等[12]利用高速攝影技術研究了大氣壓環境下等離子體射流的點火和傳播，研究發現放電總是在電極邊緣觸發，等離子體的傳播機制隨外加電壓極性的不同而明顯不同。國內方面，唐井峰等[13]在超聲速燃燒室中進行等離子體射流點火實驗，實驗表明等離子體點火器可以在點火起動的不同環境壓力下保持穩定工作，并可以實現穩定的超音速燃燒。蔣陸昀等[14]設計了一種預燃式等離子體射流點火器并對其放電特性和射流特性進行了研究，結果表明預燃式等離子體射流點火器在提升射流能量降低電源功率方面有較大優勢。何立明等[15]對等離子體射流點火的動力學機理進行了分析，研究表明O原子、H原子、CH基能顯著縮短煤油/空氣混合氣的點火延遲時間。

本文對自行設計的等離子體射流點火器進行了實驗研究，采用紋影攝像技術記錄了等離子體射流的發展過程，研究來流環境下橫向來流速度對航空等離子體點火器射流特性的影響規律。研究結果對掌握等離子體射流點火器的工作特性及其調控規律具有指導意義，為等離子體射流點火器在航空發動機上的工程應用提供理論支撐。

1 實驗裝置及測量方法

1.1 等離子體射流紋影實驗系統

本文設計的實驗系統由三部分組成，分別是供氣系統、供電系統和紋影測試系統，如圖1所示。供氣系統中由變頻式螺桿空氣壓縮機(BK22-8G)將空氣壓縮并儲存到壓力容器之中，空氣經過干燥器之后由一臺D08-1F型質量流量控制器控制流量。等離子體射流點火器所使用的電源為課題組前期研制的直流等離子體點火驅動電源，驅動電源的擊穿電壓為10 kV，輸出電流可調，調節范圍為20～40 A，驅動電源正極為高壓端，接點火器銅質陰極安裝座，負極接不銹鋼外殼。紋影測試系統為平行光反射式紋影系統，由氙光燈、孔板、凹面鏡、刀口、高速CCD相機、計算機、示波器、電壓探針、電流探針以及方形有機玻璃實驗段等組成，氙光燈作為穩定光源，發出的光經過孔板上的小孔形成點光源進入凹面鏡，經凹面鏡反射后形成平行光束垂直經過實驗拍攝流場，流場擾動所形成的明暗不均勻的像經刀口后成像于相機像面上，“Z”字型光路及刀口切光有助于削弱反射式紋影所帶來的像差。相機使用Photron UX50高速彩色CCD，拍攝速度2 000幀/s時相機的最高分辨率為1 280×1 024，鏡頭為Nikon 80～200 mm長焦鏡頭。方形有機玻璃實驗段的橫截面積為120 mm×120 mm。采用Nikon 50 mm定焦微距鏡頭，高速彩色CCD相機與示波器同步觸發，拍攝速度為10 000幀/s，記錄等離子體點火器的放電及電弧發展過程。示波器為Tektronix公司的DPO4104B四通道數字示波器，通過Tektronix公司生產的電壓、電流探針測量點火器工作時的電壓、電流信號，電壓探針型號為P6015A，電流探針型號為TCP0030。

圖1 等離子體射流紋影實驗系統示意圖

1.2 等離子體射流點火器設計

等離子體射流點火器的工作原理就是通過在陰陽兩極間形成的高溫電弧電離并加熱通入點火器的空氣工作介質，從而形成等離子體射流。基于此原理，本文設計的等離子體點火器進一步簡化結構，縮小了點火器的體積尺寸，其結構如圖2所示。本文所設計的等離子體射流點火器主要由以下幾部分組成：陽極頭部、陰極棒、旋流器、陰極安裝座、絕緣套以及不銹鋼外殼。陽極頭部和陰極棒為點火器的放電部件，均選用鎢銅合金(鎢70%，銅30%)材料，導電性好、能耐電流燒蝕，陰極棒安裝在絕緣套內的安裝座上，并通過旋流器固定，旋流角度30°，陰極棒尖端與陽極頭部最窄處的距離為1 mm。

圖2 等離子體射流點火器結構示意圖

點火器工作時內部通有空氣工作介質，接通電源后，點火器的陰極與陽極間形成高電位差，并在其距離最短處擊穿空氣工作介質形成電弧，引弧成功后，電弧在空氣工作介質的氣動作用下逐漸拉長，最終電弧弧根落在陽極頭部外表面，電弧拉長到一定程度時，電源功率無法維持其繼續做功，電弧斷裂，又進行下一次擊穿放電，循環往復。

1.3 實驗方法與實驗原理

本文采用控制變量法進行實驗，保持空氣工作介質流量、驅動電源輸出電流等相關因素不變，研究來流環境下不同橫向來流速度對航空等離子體點火器射流特性的影響規律。為保證實驗的準確性和可靠性，進行實驗之前先通氣，待氣流穩定以后再進行相關實驗。

點火器做功時的功率是反映點火器性能的重要參數，在點火器放電過程中，電壓電流波形是在震蕩變化的，因此其功率不是一個穩定的值，也會隨著電壓電流的震蕩而不斷改變，可以通過MATLAB計算點火器做功的瞬時功率P，其定義為：

P=U1I1

(1)

式中：U1和I1分別為點火器穩定工作時的瞬時電壓和瞬時電流。

為保證點火器瞬時功率計算的準確性，相同工況下分別對電壓和電流測量5次，取平均值之后再進行瞬時功率的計算。點火器的功耗W是其瞬時功率P在時間尺度上的累加，其定義為：

(2)

式中：P為點火器穩定工作時的瞬時功率。

利用紋影拍攝方法，對等離子體射流的動態過程進行拍攝，以分析等離子體射流特性的變化規律。紋影拍攝方法捕捉到的是流場中密度梯度的變化，等離子體射流以高溫高速進入點火器外部流場，對外部流場產生劇烈卷吸和擾動，形成擾動邊界，擾動邊界內的流場面積定義為射流面積，根據湍流射流理論，溫度為T、速度為v的射流流入外部流場，由于熱量擴散比動量擴散要快，溫度擾動的射流邊界比速度擾動的射流邊界要寬，但在處理實際問題時，可以忽略溫度與速度擾動邊界的微小差異，認為其邊界是一致的[16]。如圖3所示，本文定義的射流參數如下：

圖3 等離子體點火器射流參數示意圖

射流穿透深度L指從等離子體點火器陽極噴口端面至射流頂端的垂直距離；

射流面積S指高溫等離子體射流對外部流場的擾動區域面積；

射流速度vL指相鄰兩幀紋影照片的射流貫穿深度的差值與幀時間的比值；

射流面積變化率vS指相鄰兩幀紋影照片的射流面積的差值與幀時間的比值；

射流偏轉角θ指射流邊界兩側距離射流噴口中心線最遠處的兩點和噴口中心點的連線與中心線夾角θ2-θ1的差值。

2 結果與討論

2.1 放電過程分析

本次實驗采用高壓起弧、大直流維持電弧的工作方式，在等離子體點火器驅動電源輸出電流I=30 A、空氣工作介質流量Wair=45 L/min的條件下進行放電實驗。圖4為等離子體點火器放電過程電壓、電流波形圖，從波形圖中可以看出等離子體點火器的放電過程是一個周期性的過程，剛開始電壓維持在一個定值附近震蕩，電流為零，一段時間后達到擊穿條件，點火器的陰極陽極最窄處的空氣工作介質被擊穿，電弧形成，這時電壓瞬間達到幾千伏后又迅速回落，電流有一個陡升過程，電弧形成后在氣動力的作用下開始運動被拉長，電壓值隨著電弧的逐漸拉長不斷增高，當電弧拉長到一定程度時，電源功率不足以維持電弧放電，電弧斷裂，電壓重新回到開始值附近震蕩，電流變為零。基于上述特點，本文將等離子體點火器的放電過程分為3個階段：擊穿過程、電弧維持過程、儲能過程。圖5為一個放電周期內電弧形成到斷裂的運動發展過程。

圖4 等離子體點火器放電過程的電壓、電流波形圖

圖5 等離子體點火器的放電電弧運動發展圖

圖6是點火器放電過程中若干個放電周期內的瞬時功率P與功耗W的波形圖，圖中可以看出，瞬時功率的變化特點和放電過程是對應的，在儲能階段，電流為零，瞬時功率保持為零，擊穿瞬間瞬時功率會有一個突增過程，在電弧維持階段，瞬時功率隨著電壓電流的變化而不斷變化，維持階段的瞬時功率達5～6 kW，電弧做功劇烈。從功耗圖中可以看出，電弧做功為階梯累積形式，這與點火器的周期性放電過程相對應，單獨考慮電弧維持過程的瞬時功耗如圖6所示，功耗在電弧維持過程是線性增加的，遞增的斜率就是電弧維持過程的平均功率，在電弧維持階段平均功率達3～4 kW。

圖6 等離子體點火器放電過程的瞬時功率與功耗波形圖

2.2 橫向來流速度對等離子體射流偏轉角的影響

等離子體點火器工作在燃燒室內部，燃燒室內部的復雜流場對等離子體點火器的工作特性會帶來一定影響，為了研究來流條件下，不同橫向來流速度對等離子體點火器射流特性的影響，保持點火器的空氣工作介質流量Wair=45 L/min、驅動電源輸出電流I=30 A不變，改變橫向來流速度vm，使其與發動機燃燒室點火器位置處平均流速接近，分別為5 m/s、10 m/s、15 m/s、20 m/s，拍攝記錄各個工況下的射流發展紋影圖,見圖7。

在來流環境下，等離子體點火器的射流過程和射流形態與靜止環境下有很大不同，當有橫向來流時，從點火器噴出的等離子體射流會與橫向來流發生強烈的剪切作用，在剪切力的作用下，等離子體射流會朝著橫向來流的流動方向偏轉。如圖7所示，在等離子體射流形成初期，電弧存在于點火器陽極噴口外部，起到點火作用，此時由于電弧的存在，不同橫向來流速度下射流偏轉角度均較小；隨著等離子體射流的發展，等離子體射流不斷深入橫向來流，射流偏轉角逐漸變大，當電弧斷裂消失后，等離子體射流開始耗散，待等離子體點火器重新擊穿引弧后進入下一個射流發展過程。

圖7 不同橫向來流速度下等離子體射流的發展過程紋影圖

不同橫向來流速度下等離子體射流偏轉角的變化如圖8所示。射流偏轉角θ隨著來流速度的增大不斷增大，當橫向來流速度vm=5 m/s時，射流偏轉角θ=15.9°，當橫向來流速度vm=20 m/s時，射流偏轉角θ=77.1°，來流速度增大15 m/s射流偏轉角增大3.8倍。這說明在驅動電源輸出電流與空氣工作介質流量均不變的情況下，橫向來流速度的增大會減弱等離子體射流的穿透力，來流速度越大，射流偏轉程度越大，穿透力越差。

圖8 不同橫向來流速度下等離子體射流偏轉角的變化

2.3 橫向來流速度對等離子體射流穿透深度和射流速度的影響

不同橫向來流速度下等離子體射流穿透深度隨時間的變化如圖9所示。從圖中可以明顯看出，隨著時間的增長等離子體射流的穿透深度不斷增大，橫向來流速度越大，射流穿透深度越小，在射流拍攝初始時刻t=0.5 ms時，橫向來流速度vm=5 m/s的射流穿透深度L=2.19 cm，橫向來流速度vm=20 m/s的射流穿透深度L=1.75 cm，到t=2 ms時，橫向來流速度vm=5 m/s的射流穿透深度L=4.99 cm，vm=20 m/s的射流穿透深度L=3.94 cm，隨著時間的增長，小來流速度與大來流速度下等離子體點火器射流穿透深度的差距不斷增大，到t=2 ms時，vm=20 m/s比vm=5 m/s時射流穿透深度同比減小了21.0%。一方面，來流速度的增大，加大了射流與來流之間動量和熱量的交換速率，來流對射流的冷卻作用增強，阻力變大，使得射流穿透深度隨來流速度的增大不斷減小；另一方面，來流速度增大會使得射流偏轉角增大，射流穿透深度減小。

圖9 不同橫向來流速度下等離子體射流穿透深度隨時間的變化

不同橫向來流速度下等離子體射流速度隨時間的變化如圖10所示。由圖可知，等離子體射流速度在拍攝初始時刻t=0.5 ms達到最高，橫向來流速度越低，拍攝初始時刻的射流速度越大，vm=5 m/s時的射流速度vLmax=43.8 m/s，vm=20 m/s時的射流速度vLmax=35.0 m/s，之后在橫向來流剪切力與冷卻作用下，射流速度隨著時間的增長不斷減小。

圖10 不同橫向來流速度下等離子體射流速度隨時間的變化

2.4 橫向來流速度對等離子體射流面積和面積變化率的影響

不同橫向來流速度下等離子體射流面積隨時間的變化如圖11所示。可以看出，等離子體射流面積隨著時間的增長不斷增大，并且橫向來流速度越大，射流面積越小，t=2.0 ms時，來流速度vm=5 m/s射流面積S=10.3 cm2，來流速度vm=20 m/s，射流面積S=7.3 cm2，同比減小29.1%。這是因為橫向來流速度越大時，來流與射流之間的熱交換與動量質量交換速率加快，射流動量與熱量損失加大，減小射流的能量，使得射流的膨脹速度降低，射流面積減小。

圖11 不同橫向來流速度下等離子體射流面積隨時間的變化

不同橫向來流速度下等離子體射流面積變化率隨時間的變化如圖12所示。從圖中可以看出，射流面積變化率隨著時間的增長先增大后減小，并且隨著橫向來流速度的增大，射流面積變化率不斷減小，t=1.5 ms時，來流速度vm=5 m/s的射流面積變化率達到最大，vSmax=23.4 cm2/s，此時vm=20 m/s下的射流面積變化率vSmax=20.9 cm2/s，減小了10.7%。

圖12 不同橫向來流速度下等離子體射流面積變化率隨時間的變化

3 結論

本文在不同的橫向來流速度條件下通過對自行設計的等離子體射流點火器進行實驗和測量，得到以下結論：

1)等離子體點火器的放電過程分為3個階段：擊穿過程、電弧維持過程、儲能過程；瞬時功率的變化過程與放電過程是相對應的，在儲能階段，電流為零，瞬時功率保持為零，擊穿瞬間瞬時功率會有一個突增過程，在電弧維持階段，瞬時功率隨著電壓電流的變化而不斷變化，維持階段的瞬時功率達5～6 kW，電弧做功劇烈。

2)在等離子體射流形成初期，由于電弧存在于陽極噴口的外側，不同橫向來流速度下射流偏轉角度均較小；隨著等離子體射流的發展，射流不斷深入橫向來流，偏轉角度越來越大；射流偏轉角θ隨著來流速度的增大不斷增大，當橫向來流速度vm=5 m/s時，射流偏轉角θ=15.9°，當橫向來流速度vm=20 m/s時，射流偏轉角θ=77.1°，來流速度增大15 m/s射流偏轉角增大3.8倍。

3)來流速度的增大增加了射流與來流之間動量和熱量的交換效率，使得射流深入來流時阻力變大；隨著時間的增長，等離子體射流的穿透深度越來越大，射流速度先增大后減小；隨著來流速度的增長，等離子體射流的穿透深度和射流速度均越來越小。

4)來流和射流之間的熱交換和動量質量交換，使得射流的熱量和動量損失加大，射流能量降低，膨脹速度降低；隨著時間的增長，等離子體射流面積逐漸增大，射流面積變化率先增大后減小；隨著來流速度的增長，等離子體射流面積和射流面積變化率均越來越小。