超聲速氣流中的點(diǎn)火啟動(dòng)及其強(qiáng)化機(jī)理研究.pdf

1、本文著眼于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的點(diǎn)火啟動(dòng)過(guò)程，采用高速攝影、紋影、PIV等流場(chǎng)測(cè)量手段并結(jié)合數(shù)值模擬方法對(duì)超聲速氣流中的自點(diǎn)火、強(qiáng)迫點(diǎn)火過(guò)程的火焰生成、傳播及其點(diǎn)火強(qiáng)化機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)研究。
　　首先，對(duì)高總溫下的自點(diǎn)火初始火核形成和發(fā)展過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)研究，對(duì)比分析了燃料種類(lèi)、總溫、激波強(qiáng)度、噴注壓力、噴注距離、凹腔長(zhǎng)深比、氣流壅塞效應(yīng)、燃料預(yù)混條件等多種因素對(duì)點(diǎn)火過(guò)程的影響。研究結(jié)果表明，點(diǎn)火延遲時(shí)間和停留時(shí)間之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系決定了自

2、點(diǎn)火的發(fā)生。提高來(lái)流總溫、提高燃料噴注壓力、引入入射斜激波、氣流壅塞效應(yīng)等措施有助于縮短點(diǎn)火延遲時(shí)間、提高燃料停留時(shí)間的流場(chǎng)作用機(jī)制均能夠促進(jìn)自點(diǎn)火火核的生成。自點(diǎn)火火核發(fā)展的動(dòng)態(tài)過(guò)程表明，自點(diǎn)火火核生成的初始階段由自點(diǎn)火機(jī)制所控制，由于氣流的非定常特性，自點(diǎn)火火核無(wú)法在平板噴流條件下實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)定。凹腔回流區(qū)是穩(wěn)態(tài)火焰建立的必要條件，其一方面為初始火核的傳播營(yíng)造低速環(huán)境，一方面為實(shí)現(xiàn)自持燃燒充當(dāng)點(diǎn)火源。穩(wěn)態(tài)燃燒建立后，凹腔駐留火焰形成的火

3、焰?zhèn)鞑ヒ约跋蛳掠蔚膶?duì)流摻混燃燒是火焰得以維持的主要機(jī)制。
　　其次，對(duì)局部激勵(lì)下氣態(tài)乙烯和液態(tài)煤油燃料的強(qiáng)迫點(diǎn)火過(guò)程進(jìn)行了研究，并結(jié)合點(diǎn)火前流場(chǎng)特征的測(cè)量和數(shù)值模擬，對(duì)點(diǎn)火過(guò)程進(jìn)行了分析。研究表明，凹腔角回流區(qū)是點(diǎn)火初始火焰形成的關(guān)鍵區(qū)域。點(diǎn)火能量在該區(qū)域累積建立凹腔角回流區(qū)火焰后，分別擴(kuò)展形成凹腔駐留火焰，并向下游輸運(yùn)、摻混燃燒，最后在燃燒放熱誘導(dǎo)產(chǎn)生的預(yù)燃激波串下形成對(duì)點(diǎn)火的壓力正反饋。對(duì)于噴霧燃料，幾種不同的火焰失效模式與噴

4、注壓力的大小密切相關(guān)，其直接決定了凹腔內(nèi)的燃料濃度分布。噴霧燃料的點(diǎn)火范圍較窄，其點(diǎn)火過(guò)程的建立更加依賴(lài)于預(yù)燃激波串對(duì)噴霧的蒸發(fā)、混合的促進(jìn)作用。凹腔內(nèi)未完全蒸發(fā)的小液滴在火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中需要吸收大量的熱，易導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ナ?。采用提高火焰溫度和?qiáng)化下游摻混燃燒的辦法能夠改善火焰?zhèn)鞑ヂ窂?，提升點(diǎn)火性能。
　　再次，針對(duì)局部凹腔補(bǔ)氧下的噴霧點(diǎn)火強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值分析，驗(yàn)證了補(bǔ)氧點(diǎn)火的有效性及其作用原理。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同的補(bǔ)氧噴注方式

5、下，凹腔內(nèi)的火焰結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度特征呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，補(bǔ)入適量的氧氣能夠彌補(bǔ)凹腔內(nèi)空氣質(zhì)量交換率的不足，改善點(diǎn)火的濃度條件，提高點(diǎn)火性能。補(bǔ)氧點(diǎn)火機(jī)理是通過(guò)提高絕熱火焰溫度，促進(jìn)火焰區(qū)域的液滴蒸發(fā)過(guò)程以保證火焰的順利傳播而實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)計(jì)算結(jié)果表明，提高混合氣中的氧氣含量可減少對(duì)最小點(diǎn)火能量的需求。
　　最后，對(duì)引導(dǎo)火焰點(diǎn)火和熱射流點(diǎn)火兩種預(yù)燃火焰作用下煤油噴霧的強(qiáng)迫點(diǎn)火過(guò)程進(jìn)行研究，對(duì)比分析了預(yù)燃激波串、預(yù)燃火焰的結(jié)構(gòu)及其與噴霧軌跡的相