碳氢燃料超声速燃烧室火焰稳定机制研究

宋文艳, 石德永, 王宇航

(西北工业大学 动力与能源学院, 西安 710072)

0 引 言

超燃冲压发动机因其在高马赫数空天飞行中所展示的高比冲性能，引起了世界各国的广泛关注，许多相关的关键技术研究也随之开展。其中，超声速燃烧室中由于进口气流速度较高，燃料和空气停留时间极短，面临着点火、火焰稳定和高效燃烧等一系列问题。目前，凹槽火焰稳定器被广泛应用于超声速燃烧室设计中，凹槽内的回流区为燃料/空气混合和燃烧提供了较长停留时间，而凹槽内维持的火焰则为主流提供了热源及中间产物，以点燃和稳定主流中的火焰。因此，整体来看，凹槽火焰稳定器具有总压损失小、稳定燃烧性好等突出优点[2]。

超声速燃烧室内的流动/燃烧过程极为复杂，往往需要借助先进光学诊断技术反映整个燃烧流场。由于较短的曝光时间和较高的帧率，高速摄像技术可以得到瞬时流场信息并反映流场的高频特性。平面激光诱导荧光技术(PLIF)则可以通过不同的荧光波长准确捕捉流场中特定组分特别是燃烧中间产物的分布，反映燃烧流场结构和火焰形态，被广泛应用于超声速燃烧室中的点火过程、火焰稳定模式、火焰传播以及火焰震荡分析的试验研究中。Li等[3-4]采用煤油PLIF研究了多种构型下煤油燃料在凹槽内的分布，分析了对点火的可能影响。密歇根大学的Micka和Fotia等[5-8]观测到了两种不同的燃烧稳定模式，分别为凹槽稳定模式和射流尾迹稳定模式,其研究结果表明，进口总温、燃料当量油气比越高，燃烧越趋于射流尾迹稳定模式。Fotia[5]对比了不同燃烧稳定模式下的燃烧室壁面压力分布，研究发现，燃烧稳定模式的变化导致了燃烧室峰值压力点位置、伪激波串下游截止点位置的移动。Wang等[9]通过试验研究了射流尾迹燃烧稳定模式时的稳定机制，结果表明，在射流尾迹燃烧稳定模式下，凹槽仍起到了火焰稳定的作用，但未能实现不带凹槽的射流尾迹燃烧稳定模式。Le[10]及Wang等[9]根据观测到的燃烧可见光及OH的荧光图像，将凹槽火焰稳定模式细分为两种：凹槽剪切层稳定模式和回流区稳定模式[10](或联合凹槽剪切层/回流区稳定模式[9])。Yuan等[11]研究了不同当量比下的火焰稳定模式。文献[6-9]中的观测结果均表明，当燃烧稳定模式为凹槽火焰稳定模式时，稳定在凹槽前缘点下游剪切层内的火焰以相对固定的角度向主流流场传播，基于CHEMKIN理论计算与试验测量得到的火焰传播角度随总温变化趋势一致。据此，Micka[6]认为凹槽火焰稳定模式时的火焰前锋呈现出很强的湍流预混火焰特性。

本文针对西北工业大学双模态超声速单凹槽燃烧室模型开展总温1085K下的煤油点火燃烧试验。采用高速摄像仪、平面激光诱导荧光技术(PLIF)获得燃烧可见光图像、kerosene-PLIF和OH & kerosene荧光图像等数据。结合试验测量数据，分析煤油燃料超声速燃烧室的火焰稳定模式，揭示煤油火焰结构。针对模型直连式试验中的煤油单独稳定燃烧状态，以Fluent软件数值模拟双模态超声速燃烧室三维燃烧流场。综合试验和数值模拟结果，详细分析各燃烧状态下的凹槽火焰稳定模式种类和火焰稳定机制。

1 实验系统及数值模拟方法

1.1 实验系统

图1为西北工业大学甲烷燃烧加热直连式燃烧室试验系统示意图。该系统主要由甲烷燃烧加热器、高压空气气源、配气系统、超声速燃烧室燃料供应系统、设备喷管、超声速燃烧室试验模型、排气系统、控制系统、数据采集系统等部分组成。氧气首先与空气在空-氧混合器内按照一定的比例混合，而后再与相应比例的甲烷在加热器内直接燃烧形成所需要的高焓(高温)试验气体。在保证甲烷燃烧加热器出口高焓试验气体中O2的摩尔分数为0.21的条件下，通过理论计算确定进入加热器的三组元的配比。高焓试验气体依次经圆转方及设备喷管后进入双模态超声速燃烧室试验模型。该直连式试验系统具备总温850～2100K、总压0.8～4.0MPa、主流空气流量0.5～2.5kg/s的模拟能力，覆盖模拟飞行马赫数4～7。

图1 甲烷燃烧加热直连式燃烧室试验系统示意图

Fig.1Schematicofthemethaneheaterdirectconnectedcombustortestsystem

图2为双模态单凹槽超声速燃烧室试验模型的结构剖视图。试验模型由等面积隔离段及燃烧室组成。单凹槽火焰稳定器安装在试验模型的下壁面，凹槽深10.8mm，长深比为10.8。在试验模型的上下壁面布置了大量的壁面压力测点。为进行流场观测，在燃烧室凹槽部分设计了光学观测窗。煤油喷嘴位于凹槽前缘壁面上游，距凹槽前缘的轴向距离为35mm，由3个Φ0.35mm喷孔组成，中间喷孔的中心位于二维燃烧室的中心截面上。先锋氢气喷嘴及火花塞均位于凹槽底部壁面。

模拟的来流条件如表1所示，对应模拟飞行马赫数4下的燃烧室进口状态。喷射的煤油燃料采用先锋氢燃料点火，氢燃料喷射一段时间后自行撤除，煤油燃料将单独维持燃烧，模拟实际发动机工作时的燃烧状态。本研究中当量比从0.18变化到0.41，涵盖发动机工作的超燃和亚燃两种模态。

图2 双模态单凹槽超声速燃烧室试验模型示意图

Fig.2Schematicofthedual-modecavity-basedsupersoniccombustormodel

表1 实验状态Table 1 Test conditions

1.2 测量方法

采用高速摄像仪(FASTCAM-ultima 1024 High-Speed Video Camera System)对燃烧室内的燃烧可见光进行拍摄，高速摄像仪分辨率为512pixel×128pixel，频率为2000Hz，曝光时间为0.5ms。

PLIF测量系统由激光器、光学镜片、ICCD(Intensified charge-coupled device camera)相机等组成。图3为PLIF测量原理示意图，图4为PLIF光学诊断系统实物图。ICCD相机正对试验模型侧壁面的观测窗。平面诱导激光通过位于上壁面的光学玻璃进入燃烧室，并与燃烧室中心截面重合，诱导激发燃烧室中的OH(羟基)和煤油荧光。试验采用一套输出波长为282.141nm诱导激光的Nd: YAG泵浦的可调谐染料激光器系统，其输出激光的波长对应于OH分子A←X(1,0)跃迁的Q1(3)共振吸收线，到达测量区后每条激光束的能量约5mJ。需要指出的是，煤油燃料超声速燃烧室中未燃烧的煤油大分子在平面激光的激励作用下也会辐射荧光。煤油荧光光谱范围宽，会覆盖OH荧光的辐射波段，对OH荧光信号造成很强的干扰。因此，根据OH及煤油的激光诱导荧光辐射光谱特性，针对同一试验状态分别拍摄了煤油荧光信号(kerosene-PLIF)和OH & kerosene荧光信号(OH & kerosene-PLIF)。选用f320滤光片拍摄OH & kerosene荧光信号，选用f340滤光片拍摄煤油荧光图像。PLIF拍摄的频率为10Hz，曝光时间50ns。

图3 PILF测量原理示意图

图4 PLIF光学诊断系统照片

1.3 数值方法

超声速燃烧室两相流场数值模拟涉及到空气动力学、两相流、化学动力学以及计算流体力学等多门学科。商业软件Fluent是一种基于有限体积求解N-S方程的软件包。在数值计算中，采用包含多种组分带化学反应的雷诺平均、守恒型N-S方程作为气体湍流流动、燃烧控制方程。根据双模态超声速燃烧室内的流动特点，采用Menter提出的剪切应力输运模型模拟湍流效应，即双方程湍流模型。采用层流有限速率模型模拟燃烧室内的化学反应进程。在煤油燃烧数值模拟中，采用Kundu等[12]提出的12组份13步有限速率反应模型。选用波致破碎模型进行计算(对于双模态超声速燃烧室中的大Weber数的情况，波致破碎模型一般更为适合)。

在计算过程中，主要采用3种标准判断计算结果的收敛性，即流动性质的残差、壁面静压和质量守恒：(1) 流动性质的残差：无化学反应时，各方程的残差应小于10-5，有燃烧化学反应时，各方程的残差应小于10-3；(2) 壁面静压值稳定(误差小于0.1%)；(3) 进出口的流量守恒(误差小于0.5%)。

2 结果与分析

2.1 双模态燃烧室流场可视化结果

采用PLIF分析了流场中特定组分的分布。图5展示了煤油燃料当量比ERk=0.33时的瞬时kerosene-PLIF图像。图中列出了4张时间上连续且间隔为0.1s的瞬时图像。燃料射流边界呈现出不连续、卷曲的特点，这反映出因燃料射流和主流之间的强剪切作用而形成了大尺度结构，这些大尺度结构卷吸燃料射流和主流空气，使得射流和主流之间互相吞并，从而形成了卷曲的边界，伸展了燃料/空气的接触面积。上游区域燃料射流边界的煤油荧光梯度大，而在下游区域射流边界的煤油荧光梯度较小，这说明在下游交界面区域发生了明显的扩散，使得边界逐渐模糊。燃料射流在t0+0.1s和t0+0.3s明显进入了凹槽区域，而在t0和t0+0.2s却没有跨过剪切层，这说明在燃烧状态下燃料会随着剪切层和回流区的相互作用周期性地进入凹槽。

(a) t=t0

(b) t=t0+0.1s

(c) t=t0+0.2s

(d) t=t0+0.3s

这一状态下的OH & kerosene-PLIF图像如图6所示，图中同样列出了4张时间上连续且间隔为0.1s的OH & kerosene-PLIF图像。可以看到，尽管来流中含有OH等污染组分，但相较于燃烧产生的OH，几乎可以忽略不计。但是如前所述，由于煤油大分子在激光激励作用下也会辐射荧光，并会叠加在OH荧光图像上，因而需要结合kerosene-PLIF结果来排除这种干扰。剪切层上方的荧光区域边界同样呈现出不连续、卷曲的特点，这应该是煤油荧光叠加的结果。值得注意的是，下游区域和凹槽区域观测到的较强荧光信号，这些不同于煤油荧光的特征正是OH荧光所带来的。凹槽区域始终存在的荧光信号，表明部分OH进入了凹槽回流区，而局部区域的大梯度，则表明了燃烧反应的进行以及大量的OH产生。

(a) t=t0

(b) t0+0.1s

(c) t0+0.2s

(d) t0+0.3s

将不同当量比下的20张瞬时PLIF结果经过平均，得到了时均kerosene-PLIF和OH & kerosene-PLIF结果，如图7、8所示。可以看到，平均后的结果荧光边界显得较为平滑。对比图7中不同煤油燃料当量比下的kerosene-PLIF图像，可以发现随着当量比的增加，燃料向主流流场的穿透深度增加。图8和7的对比显示出，下游区域和凹槽内流场中观测到的大部分荧光信号是燃烧中间产物OH发出的，并且随着当量比增加，OH集中的荧光区域从凹槽尾缘逐渐移到了剪切层和主流中。

试验中采用高速相机拍摄了燃烧可见光图像，图9为燃烧状态下的平均燃烧可见光图像。在图9(a)中，凹槽处不锈钢壁面由于长时间与燃烧产物接触，达到了很高的温度进而发出辐射，但是这并不影响对流道中火焰发光特别是发光边界的拍摄。通过定义一个可见光亮度等值线可以得到火焰或燃烧区边界，如图9(a)和(b)中黄色虚线所示。火焰或燃烧区边界显示，燃烧室内的燃烧稳定模式均为凹槽火焰稳定模式。不同油气比下的燃烧可见光图像对比显示：随着燃料当量比的增加，火焰传播角度及火焰向主流的穿透高度增加，火焰最高点的轴向位置向流场下游移动。

图7 平均kerosene-PLIF图像

图8 平均OH & kerosene-PLIF图像

(a) ERk=0.18

(b) ERk=0.33

2.2 双模态燃烧室数值模拟结果

开展了数值模拟以帮助分析实验结果。图10为燃烧室壁面压力分布计算值与试验测量值的对比结果。图中阴影标出了凹槽区域。可以看出，数值计算与试验测量结果分布趋势一致。这表明数值模拟结果有效地捕捉到了超声速燃烧室内复杂的膨胀波、激波等流动结构，并很好地反映出了凹槽内的流动特性。图10(a)为无反应结果，图10(b)、(c)和(d)为煤油燃料当量比为0.18、0.33和0.41时燃烧状态的壁面压力。计算及试验结果表明：随着当量比的增加，燃烧室内峰值压力上升，激波串前沿向上游流场移动。

(a) 冷流

(b) ERk=0.18

(c) ERk=0.33

(d) ERk=0.41

Fig.10Comparisonsofthewallpressuredistributionsbetweencalculationandexperiment

以煤油燃料当量比ERk=0.33为例展示了部分数值模拟得到的云图结果。图11～13为燃烧室中心截面及横截面上的静温、煤油摩尔分数、OH摩尔分数云图。图14为燃烧室中心截面上的流线图。静温及煤油摩尔分数云图显示：靠近下壁面流场中浓度较高的煤油使得该区域静温较低。对比图13及流线图14，OH分布前沿点位于凹槽前缘处的剪切层内；与凹槽前缘点处下壁面分离后，剪切层向凹槽底部壁面方向偏折并最终在凹槽底部壁面上重新附着，始自凹槽前缘点的层状OH分布区以相对固定的角度向主流方向传播。

图11 ERk=0.33时燃烧室中心截面静温云图

Fig.11StaticpressurecontouratspanwisecenterlineofthecombustorinthecaseofERk=0.33

图12 ERk=0.33时燃烧室中心截面煤油摩尔分数云图

Fig.12KerosenemolefractioncontouratspanwisecenterlineofthecombustorinthecaseofERk=0.33

图13 ERk=0.33时燃烧室中心截面OH摩尔分数云图

Fig.13OHmolefractioncontouratspanwisecenterlineofthecombustorinthecaseofERk=0.33

Fig.14StreamlineatspanwisecenterlineofthecombustorinthecaseofERk=0.33

2.3 双模态燃烧室火焰稳定模式分析

图15为根据冷流及不同煤油当量比状态下的计算结果得到的流线图。图15(a)为冷流状态下的燃烧室中心截面流线图。按照凹槽流动状态划分[13]，冷流状态下的凹槽为“开式凹槽”。图15(b)为煤油当量比为0.18时的流线图，激波串与剪切层的相互作用使得凹槽内回流区向主流方向扩张，回流区尺寸增大，剪切层在凹槽尾缘点附近重新附着壁面。图15(c)和(d)分别为煤油当量比为0.33和0.41时的流线图。凹槽上游流场速度及激波强度的下降，使得凹槽转变为“闭式凹槽”。剪切层与凹槽前缘点处壁面分离后向凹槽底部壁面方向偏转，并最终在凹槽底部壁面上重新附着。以上数值模拟结果显示，凹槽上游流场速度的变化及激波与剪切层的相互作用均会导致凹槽内流场结构及流动特性的变化：随着当量比的增加，激波串起始位置向上游流场移动，凹槽从“开式凹槽”向“闭式凹槽”转变。

(a) Non-reacting

(b) ERk=0.18

(c) ERk=0.33

(d) ERk=0.41

Fig.15Streamlineatspanwisecenterlineofthecombustorunderdifferenttestconditions

为更深入地理解和认识超声速燃烧室内的火焰稳定模式，将计算得到的流线图与试验拍摄到的平均燃烧可见光、煤油及OH & kerosene-PLIF图像进行叠加。图16为燃烧室中心截面流线与燃烧室可见光图像叠加。在煤油当量比0.18～0.41的范围内，火焰基底均稳定在凹槽剪切层内；ERk=0.18时，火焰基底距凹槽前缘壁面最远；ERk=0.33与0.41时，火焰基底位置基本相同。

图17～19分别为煤油当量比为0.18、0.33和0.41时，数值计算得到的流线与试验拍摄到的平均PLIF荧光信号叠加的结果。图17(a)为流线与平均煤油荧光信号叠加，图17(b)为流线与平均OH & kerosene-PLIF叠加。结果显示:当量比为0.18时，煤油穿透高度较低，因而主要集中在凹槽剪切层内，仅有少量煤油进入凹槽回流区内。OH荧光信号主要集中在凹槽剪切层内和凹槽回流区的下游部分，且在靠近凹槽尾缘处剪切层内的OH荧光信号最强。当量比为0.33时，受喷嘴前主流速度下降及附面层分离、厚度增大等因素的影响，部分煤油穿透剪切层并与主流空气混合，煤油主要分布在剪切层及其紧邻的主流流场内，仅有极少量的煤油被输运至凹槽回流区。OH主要集中在凹槽回流区上方的剪切层，回流区内的OH荧光信号较低。当量比为0.41时，煤油主要集中在剪切层和主流流场内，凹槽回流区内观测到了微弱的OH荧光信号。

在本文的试验状态下，火焰基底始终稳定在凹槽剪切层内，燃烧室内的火焰稳定模式均为凹槽火焰稳定模式。试验和数值计算结果显示，可以根据燃料当量比大小将燃烧室划分为3种不同的典型燃烧状态：激波串起始位置位于煤油喷嘴下游的低当量比状态、激波串起始位置位于煤油喷嘴上游的中等当量比状态和激波串完全移动至煤油喷嘴上游的高当量比状态。在低煤油当量比状态下，OH主要集中在凹槽剪切层内的层状区域内，凹槽回流区下游部分也有浓度很低的OH；在中等煤油当量比状态下，激波串起始位置移动至凹槽前缘壁面上游，凹槽从“开式凹槽”转变为“闭式凹槽”，火焰基底稳定在凹槽剪切层内，层状燃烧区的走向、位置与凹槽剪切层并不契合；在高煤油当量比状态下，激波串已完全移动至凹槽前缘壁面上游，火焰基底仍稳定在凹槽剪切层内，燃烧反应主要发生在凹槽回流区上方的剪切层或主流流场内。按照Wang等[9]的划分方法，在低煤油当量比状态下，燃烧稳定模式为联合凹槽剪切层/回流区稳定燃烧模式，而在中、高煤油当量比状态下，燃烧稳定模式为凹槽剪切层稳定燃烧模式。

(a) ERk=0.18

(b) ERk=0.33

(c) ERk=0.41

Fig.16Combinationsofthestreamlineandcombustionluminosityatspanwisecenterlineofthecombustor

(a) 流线与kerosene-PLIF图像

(b) 流线与OH & kerosene-PLIF图像

Fig.17CombinationsofthestreamlineandPLIFatspanwisecenterlineofthecombustorinthecaseofERk=0.18

(a) 流线与kerosene-PLIF图像

(b) 流线与OH & kerosene-PLIF图像

Fig.18CombinationsofthestreamlineandPLIFatspanwisecenterlineofthecombustorinthecaseofERk=0.33

(a) 流线与kerosene-PLIF图像

(b) 流线与OH & kerosene-PLIF图像

Fig.19CombinationsofthestreamlineandPLIFatspanwisecenterlineofthecombustorinthecaseofERk=0.41

结合以上试验测量和数值模拟结果，分析了双模态超声速燃烧室内的火焰稳定机制，得到了图20中的火焰稳定机制示意图。液态煤油自凹槽上游的下壁面垂直喷入燃烧室内，随后经历雾化、蒸发、混合过程。受煤油液滴穿透深度、高速气流混合效率的限制，煤油并未与主流空气进行充分的混合，主要分布在靠近下壁面(煤油喷射壁面)的流场中。通过凹槽剪切层与凹槽回流区间的相互作用，高温燃烧产物被输运至回流区。紧贴凹槽回流区中的高温产物为剪切层中的空气-煤油混合气体提供了稳定的点火源，使得火焰基底能够稳定在剪切层内并以相对固定的角度向主流流场中传播。

图20 火焰稳定机制示意图

3 结 论

在来流总温1085K、进口马赫数2.0下进行了煤油燃料燃烧试验，采用高速摄像观测了火焰的形态和结构，采用PLIF观测了煤油和OH的分布，并结合数值模拟结果分析了燃烧室的火焰稳定模式，得到如下结论：

(1) 在射流下游区域和凹槽区域，煤油荧光逐渐减弱，而OH荧光则展现出较大梯度，这表明大量的OH产生和燃烧反应的进行。高速摄像得到的火焰边界表明：燃烧室内的燃烧稳定模式均为凹槽火焰稳定模式，并且随着燃料当量比的增加，火焰传播角度及火焰向主流的穿透高度增加，火焰最高点的轴向位置向流场下游移动。数值模拟与实验结果吻合较好。

(2) 在低煤油当量比状态下，OH主要集中在凹槽剪切层内的层状区域内，与凹槽剪切层相契合；在中等和高煤油当量比状态下，凹槽从“开式凹槽”转变为“闭式凹槽”，火焰基底仍稳定在凹槽剪切层内，但燃烧区的走向、位置与凹槽剪切层并不契合。

(3) 液态煤油自凹槽上游的下壁面垂直喷入燃烧室内，随后经历雾化、蒸发、混合和燃烧过程。通过凹槽剪切层与凹槽回流区间的相互作用，高温燃烧产物被输运至回流区。紧贴凹槽回流区中的高温产物为剪切层中的空气-煤油混合气体提供了稳定的点火源，使得火焰基底能够稳定在剪切层内并以相对固定的角度向主流流场中传播。