李明磊, 吳 寧, 侯凌云, 任祝寅,,*

(1. 清華大學(xué) 燃燒能源中心, 北京 100084; 2. 清華大學(xué) 航天航空學(xué)院, 北京 100084)

特約

強(qiáng)湍流下點火及火焰?zhèn)鞑C(jī)理研究進(jìn)展

李明磊1, 吳 寧1, 侯凌云2, 任祝寅1,2,*

(1. 清華大學(xué) 燃燒能源中心, 北京 100084; 2. 清華大學(xué) 航天航空學(xué)院, 北京 100084)

可燃預(yù)混氣點火過程研究是發(fā)動機(jī)燃燒領(lǐng)域最重要的課題之一。 當(dāng)前電火花強(qiáng)制點火廣泛應(yīng)用于各類發(fā)動機(jī)燃燒室中，其點火過程具有很強(qiáng)的瞬變性，從電火花產(chǎn)生到火焰完全形成的整個過程中，多種復(fù)雜因素聯(lián)合影響點火火核的產(chǎn)生和發(fā)展。 目前發(fā)動機(jī)高壓、強(qiáng)湍流工況下的點火和火焰?zhèn)鞑C(jī)理認(rèn)識還不完善，亟需研究的科學(xué)問題是湍流和化學(xué)反應(yīng)相互作用對點火和火焰?zhèn)鞑サ挠绊憴C(jī)制及其建模，包括湍流對點火的促進(jìn)/抑制機(jī)制，湍流對火焰?zhèn)鞑ズ突鹧嬲w發(fā)展的影響規(guī)律，燃燒釋熱和火焰面不穩(wěn)定性對湍流脈動速度(即火焰產(chǎn)生的湍流)的影響機(jī)制和對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊脑鰪?qiáng)機(jī)制及由此導(dǎo)致的層流燃燒自加速轉(zhuǎn)捩為湍流燃燒的理論， 燃燒過程對標(biāo)量通量輸運(即反向或壓力驅(qū)動輸運)的影響機(jī)制。本文對強(qiáng)湍流下點火及火焰?zhèn)鞑ダ碚摗嶒灪蛿?shù)值模擬方面的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

可燃預(yù)混氣；點火；火焰?zhèn)鞑?；湍流；火焰不穩(wěn)定性

0 引 言

可燃預(yù)混氣點火過程研究是燃燒領(lǐng)域最重要的課題之一，廣泛存在于內(nèi)燃機(jī)、航空發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等燃燒應(yīng)用中[1-3]。點火過程的優(yōu)化對于許多燃燒室的設(shè)計都舉足輕重。舉例來講，噴氣式飛機(jī)設(shè)計安全要求航空發(fā)動機(jī)制造商保證在飛機(jī)發(fā)生高空熄火后能夠成功進(jìn)行二次點火 (Federal Aviation Administration 2000; European Aviation Safety Agency 2003)。對于直升機(jī)發(fā)動機(jī)，高海拔下發(fā)動機(jī)的冷啟動性能對于山地救援等任務(wù)也非常重要。在海拔6000米以上環(huán)境大氣壓低于5×104Pa，發(fā)動機(jī)機(jī)體、燃料的溫度將低于-40℃，發(fā)動機(jī)燃燒室噴嘴的霧化性能和燃料的蒸發(fā)過程會受到極大影響，導(dǎo)致點火異常困難。與此同時，由于日趨嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)與能效要求，各類發(fā)動機(jī)工作在貧燃或回流燃?xì)庀♂屓紵r下越來越普遍，造成極端條件下燃燒不穩(wěn)定性增強(qiáng)，更易于發(fā)生火焰吹熄現(xiàn)象。這就需要在設(shè)計這類發(fā)動機(jī)內(nèi)燃燒室點火裝置及其布置位置時更加謹(jǐn)慎和細(xì)化，確保可靠點火或在發(fā)動機(jī)發(fā)生火焰吹熄后實現(xiàn)快速、可靠的二次點火。

目前電火花強(qiáng)制點火廣泛應(yīng)用于各類發(fā)動機(jī)燃燒器中,其點火原理為利用電火花放電將電能高效轉(zhuǎn)換為空間單點釋熱，并同時在釋熱點產(chǎn)生大量自由基來促使火核形成。整個點火過程主要由2個階段組成：點火核形成階段與點火核發(fā)展階段。點火核形成階段又可以劃分為2個步驟：第1個步驟是熱量釋放(火花放電)產(chǎn)生局部高溫氣體源，第2個步驟是小尺度球形火焰?zhèn)鞑?。如果是液體燃料燃燒，點火核形成過程還包含燃料在被點燃前依靠電火花高溫?zé)嵩吹恼舭l(fā)氣化，及其在點火裝置周圍與空氣形成的可燃?xì)獾氖軣崤c著火。點火核的發(fā)展傳播階段則在2個不同的空間尺度得到具體體現(xiàn)：首先是點火核在火花塞附近如回流區(qū)域的小范圍輸運，之后是火焰在整個腔體或燃燒器內(nèi)部的大范圍傳播。考慮到目前設(shè)計工況下發(fā)動機(jī)燃燒器內(nèi)部普遍是湍流環(huán)境，火核傳播因此主要涉及火焰在湍流下的傳播及穩(wěn)定。

在過去半個世紀(jì)，靜止環(huán)境條件下點火問題的研究已較為充分。早在1961年Lewis和Von Elbe[4]就通過實驗發(fā)現(xiàn)存在可以成功點火的最小火花直徑，即最小點火能的存在。在之后的研究中，Zeldovich等人[5]，Champion等人[6]引入了點火半徑內(nèi)質(zhì)量、能量的擴(kuò)散，發(fā)現(xiàn)對預(yù)混氣體存在能夠成功點火的最小火焰球直徑。 He[7]研究了寬Lewis數(shù)(Le)范圍條件下的點火問題，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Le小于某一值時，火焰球小于理論最小直徑也能成功點火。Ju和Chen[8]理論描述了靜止流場中火焰從點火核到火焰球，再到穩(wěn)定傳播火焰的發(fā)展過程和機(jī)理，并論證了火焰拉伸、輻射熱損失等因素對于點火過程的影響。Kelley等人[9]在實驗中發(fā)現(xiàn)對于Le小于1的預(yù)混氣體，一旦點火核建立火焰就可以順利傳播，對于Le大于1的預(yù)混氣體，只有點火能足以促使火核擴(kuò)張到一定尺寸以后火焰才可以繼續(xù)傳播；此外，實驗還發(fā)現(xiàn)最小點火能隨著環(huán)境氣體壓力增大呈非單調(diào)變化。

相對來說，湍流條件下的預(yù)混可燃?xì)獾狞c火研究則相對薄弱，人們對發(fā)動機(jī)高壓、強(qiáng)湍流工況下的點火和火焰?zhèn)鞑C(jī)理認(rèn)識還不完善。電火花強(qiáng)制點火過程具有很強(qiáng)的瞬變性[10-11]。從電火花產(chǎn)生到火焰完全形成的整個過程中，多種復(fù)雜因素聯(lián)合影響點火火核的產(chǎn)生和發(fā)展，如火核所處位置的局部預(yù)混氣當(dāng)量比、流動速度及其脈動。因此，對電火花點火成功概率以及火焰發(fā)展過程的預(yù)測與其所處流場的各類參數(shù)有著很強(qiáng)且復(fù)雜的依賴關(guān)系。目前基于減少NOx和UHC等排放設(shè)計的各類燃燒室中電火花點火裝置所在區(qū)域流場速度增高、燃料當(dāng)量比降低，一定程度上削弱了發(fā)動機(jī)的點火性能，而針對此問題的相關(guān)研究還不完善。當(dāng)前強(qiáng)湍流下點火過程亟需研究的核心科學(xué)問題是湍流和化學(xué)反應(yīng)相互作用對點火和火焰?zhèn)鞑サ挠绊憴C(jī)制及其建模。一方面湍流與火焰相互作用對點火的促進(jìn)或抑制作用、對火焰?zhèn)鞑ズ突鹧嬲w發(fā)展等的影響都需要進(jìn)一步的深入探究；另一方面燃燒釋熱和火焰面不穩(wěn)定性如Darrieus-Landau instability對湍流脈動速度(即火焰產(chǎn)生的湍流)和標(biāo)量通量輸運(即反向或壓力驅(qū)動輸運)的影響還不清楚[12]；此外,可燃?xì)獾幕旌暇鶆蚨?尤其是對液體燃料的點火)也會顯著影響點火及火焰?zhèn)鞑ミ^程，相關(guān)研究也還不完善。本文將對強(qiáng)湍流下點火及火焰?zhèn)鞑C(jī)理研究的最新進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 湍流對點火的促進(jìn)或抑制作用

電火花點火的物理過程非常復(fù)雜, 它涉及很短時間、微小空間內(nèi)高溫高壓下的等離子體生成和復(fù)雜的湍流和化學(xué)反應(yīng)相互作用。國內(nèi)外已開展大量針對電火花參數(shù)、燃料、燃料-空氣混合過程、湍流等因素對點火和火焰?zhèn)鞑ビ绊憴C(jī)制的研究[13-24]。Ahmed等人[25]研究了可燃?xì)怏w射流中火花的位置、能量、持續(xù)時間、電極半徑、電極縫隙大小等因素對點火成功概率的影響，并測量了點火過程中的自由基組分分布。Shy等人[19]測量了各向同性湍流中最小點火能隨湍流強(qiáng)度、預(yù)混氣體組分、當(dāng)量比的變化情況，并發(fā)現(xiàn)對于甲烷/空氣預(yù)混氣在當(dāng)量比0.6時存在最小點火能的轉(zhuǎn)折點。Cardin等人[24]利用激光誘導(dǎo)火花點燃湍流貧燃預(yù)混氣的方法驗證和完善了Shy等人的發(fā)現(xiàn)，并記錄和分析了點火核與湍流的相互作用。然而，湍流在點火過程中所起的作用機(jī)制還不清楚。傳統(tǒng)的湍流點火分析中普遍認(rèn)為湍流的存在使得點火核的能量更容易耗散損失，從而使得點火變得更加困難，即在湍流影響下需要更大的點火能才能點燃預(yù)混氣體，這也在以上的各類實驗中得到了驗證。然而在上述的所有對于湍流電火花點火的研究中，都未能考慮預(yù)混可燃?xì)饣鸷说膭討B(tài)特性。 Wu等人[25]近期較為系統(tǒng)地研究了較完善定義的湍流環(huán)境下的電火花點火過程，并第一次證實了點火過程中可燃?xì)饣鸷藙討B(tài)特性的重要性。實驗中發(fā)現(xiàn)在較大Le條件下，湍流的存在可以使點火變得更加容易，即在較小點火能下就可以成功點火。圖1顯示了氫氣/空氣預(yù)混氣在當(dāng)量比為5.1，不同點火電壓及湍流強(qiáng)度下的點火核發(fā)展紋影圖像。從圖中可以看出，無湍流存在(urms=0)和弱湍流存在(urms=1.4m/s)的流場條件下，80V的點火裝置標(biāo)稱電壓不能夠成功觸發(fā)點火；保持點火電壓不變，加強(qiáng)流場的湍流強(qiáng)度到(urms=2.9或5.4m/s)時，點火被成功觸發(fā)。分析認(rèn)為這是由于湍流使點火核周圍局部區(qū)域的拉伸率變小甚至出現(xiàn)負(fù)值，因此有利于大Le預(yù)混氣體中的火焰?zhèn)鞑ァＴ趯嶋H的內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用中，貧燃預(yù)混氣的Le通常大于1；而對于超臨界和液體存在的情況，Le遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1。研究肯定了實際應(yīng)用中利用適當(dāng)湍流增強(qiáng)點火成功概率的可能性，但還需要系統(tǒng)的研究來進(jìn)一步揭示湍流和化學(xué)反應(yīng)耦合機(jī)制。到目前為止對湍流到底是對點火起抑制還是誘導(dǎo)作用存在分歧，尚未有嚴(yán)格定量研究點火能與湍流強(qiáng)度對應(yīng)關(guān)系的工作。另外，現(xiàn)有研究大都是在較低壓力和低湍流工況下，高壓、強(qiáng)湍流工況下的湍流對點火的促進(jìn)或抑制作用的實驗研究還需要進(jìn)一步發(fā)展和展開。

圖1 氫氣/空氣預(yù)混氣在不同點火電壓及湍流強(qiáng)度下的點火核發(fā)展紋影圖像[25]

Fig.1 Sequential schlieren images of flame kernel development for H2/air at different turbulent levels and ignition voltages[25]

2 湍流預(yù)混火焰?zhèn)鞑C(jī)理

可燃?xì)恻c火過程中火核傳播的關(guān)鍵是火焰在湍流環(huán)境下的傳播規(guī)律。強(qiáng)湍流工況下，大尺度渦旋使火焰面產(chǎn)生不規(guī)則拉伸，同時小尺度渦旋又可能進(jìn)入火焰內(nèi)部改變其結(jié)構(gòu)，從而影響火焰?zhèn)鞑ズ突鹧嬲w發(fā)展[26]。量化湍流燃燒速率即湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c湍流等影響因素的關(guān)系是研究點火過程火核傳播的重中之重。

在實驗方面，Venkateswaran等人[27]利用本生燈火焰，Smith等人[28]利用V型火焰，Lawn等人[29]利用平面火焰，Wang[29-30]等人利用恒容射流火焰，Bradley等人[32]利用球形火焰分別就湍流火焰形態(tài)、傳播速度進(jìn)行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)在這些不同的火焰形態(tài)中湍流火焰的動態(tài)特性也各不相同，火焰速度的測量結(jié)果十分分散，表現(xiàn)出很強(qiáng)的幾何形狀依賴性。Driscoll[33]和Pope[34]指出湍流火焰的多尺度本質(zhì)以及湍流-化學(xué)反應(yīng)的強(qiáng)耦合特性是該領(lǐng)域的主要挑戰(zhàn)，一種較為可行的方法是針對某一種定義完善、幾何形狀簡單的湍流火焰展開實驗，得到此特定形態(tài)湍流火焰統(tǒng)一的火焰?zhèn)鞑ニ俣榷x、影響因素和動態(tài)特性。

目前, 在較高壓力(<106Pa)下，Chaudhuri等人[35]在定壓層流球形火焰實驗的基礎(chǔ)上引入湍流風(fēng)扇，實現(xiàn)了定壓條件下較高湍流度(Ret<14000)的火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y量，對球形火焰這個特定形態(tài)下的湍流火焰速度進(jìn)行了定義和初步的標(biāo)度律分析。如圖2所示，實驗捕捉湍流下的球形火焰的動態(tài)傳播過程后，利用圖像處理獲得火焰?zhèn)鞑ミ吘?，在多次實驗后即可獲得特定燃料、當(dāng)量比、環(huán)境壓力、湍流度下的平均湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

圖2 湍流球形火焰的實驗結(jié)果與圖像處理[36]

Fig.2 Schliren imaging and data processing of turbulent spherical flame experiment[36]

(a) 標(biāo)度律1[36]

(b) 標(biāo)度律2[35]圖3 實驗數(shù)據(jù)在不同標(biāo)度律下的收斂效果Fig.3 Performance of different scaling methods

標(biāo)度律1：

標(biāo)度律2：

目前該項湍流球型火焰的實驗尚不能在高壓(>106Pa)下進(jìn)行，且上述標(biāo)度律1與標(biāo)度律2僅適用于Markstein數(shù)大于0的情形，對于Markstein數(shù)小于0的混合氣的燃燒過程并不適用。

(a) 最大層流火焰速度定義

(b) 標(biāo)度律3下的收斂效果圖4 最大層流火焰速度定義與標(biāo)度律3下的收斂效果[27]

Fig.4 Definition of maximum laminar flame speed & performance of scaling method 3[27]

在實際發(fā)動機(jī)應(yīng)用以及實驗室火焰中，對湍流火焰的相關(guān)研究都致力于利用少數(shù)變量(例如湍流強(qiáng)度、湍流尺度、雷諾數(shù)、層流火焰速度、層流火焰厚度和劉易斯數(shù)等)實現(xiàn)湍流火焰速度的統(tǒng)一度量。目前類似的研究尚只適用于特定的火焰形態(tài)、涵蓋的湍流度與環(huán)境壓力范圍有限，適用于不同幾何形態(tài)的統(tǒng)一湍流火焰速度標(biāo)度律尚有待開發(fā)，高壓、強(qiáng)湍流下火焰?zhèn)鞑ダ碚撨€不完善。

3 火焰面不穩(wěn)定性對湍流火焰?zhèn)鞑サ挠绊憴C(jī)制

高壓下，火核形成和火核傳播除了受湍流影響外，還受火焰面自身不穩(wěn)定性的影響。Darrieus[38]和Landau[39]分別獨立發(fā)現(xiàn)層流火焰?zhèn)鞑ミ^程中氣體燃燒后的熱膨脹會使火焰面產(chǎn)生流動不穩(wěn)定性，即Darrieus-Landau不穩(wěn)定性。Markstein[40]發(fā)現(xiàn)傳熱與傳質(zhì)的不均勻性將使得有限厚度的火焰面產(chǎn)生擴(kuò)散-傳熱不穩(wěn)定性。在之后的幾十年中，Sivashinsky[41], Williams[42], Bechtold和Matalon[43]等人在理論上，Bradly等人[44], Haq[45], Law等人[46]在實驗上證實并進(jìn)一步研究了這2種不穩(wěn)定的物理機(jī)制，發(fā)現(xiàn)火焰面的Darrieus-Landau不穩(wěn)定性隨著火焰面厚度的減薄而增強(qiáng)；擴(kuò)散-傳熱不穩(wěn)定性隨著預(yù)混氣體Le的升高而增強(qiáng)，隨著惰性氣體組分分子量的增大而減弱。Bradley等人[47]在常壓下進(jìn)行了大尺寸的預(yù)混火焰實驗，使得火焰可以向外傳播到3m半徑的火焰面以觀察火焰不穩(wěn)定性的產(chǎn)生和發(fā)展情況。但由于大尺寸火焰受浮力影響很大，導(dǎo)致火焰面失去對稱結(jié)構(gòu)而使得實驗數(shù)據(jù)的驗證和分析都異常困難。Haq[45]在一個定容球形火焰燃燒彈中針對甲烷/空氣預(yù)混氣體火焰?zhèn)鞑ミ^程的不穩(wěn)定現(xiàn)象進(jìn)行了一系列研究，發(fā)現(xiàn)定容條件導(dǎo)致的壓力上升促使火焰在更小半徑產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。美國Princeton大學(xué)的C.K. Law實驗室開發(fā)了定壓預(yù)混球形火焰實驗裝置并以此為平臺較為系統(tǒng)地開展了層流火焰不穩(wěn)定研究[45,47]，包括氣體種類、環(huán)境壓力對火焰面不穩(wěn)定觸發(fā)和發(fā)展的影響，并初步研究了火焰速度增大對火焰不穩(wěn)定性的依賴關(guān)系，結(jié)果如圖5所示。但是由于實驗腔體尺寸限制，尚無法得到不穩(wěn)定性帶來的火焰穩(wěn)定加速階段持續(xù)程度、火焰自加速燃燒發(fā)展到湍流燃燒可能性等相關(guān)實驗數(shù)據(jù)。

(a) Darrieus-Landau不穩(wěn)定性導(dǎo)致的火焰加速

(b) 擴(kuò)散-傳熱不穩(wěn)定性導(dǎo)致的火焰加速

圖5 Darrieus-Landau不穩(wěn)定性與擴(kuò)散-傳熱不穩(wěn)定性分別導(dǎo)致的火焰加速現(xiàn)象[48]

Fig.5 Self-acceleration due to flame front instabilities: (a) Darrieus-Landau instability (b) Diffusional-thermal instability[48]

現(xiàn)階段國內(nèi)外對于層流火焰不穩(wěn)定觸發(fā)機(jī)制的研究相對充分，然而火焰面不穩(wěn)定性對湍流火焰速度影響這一重要問題至今沒有得到解答。人們已知火焰不穩(wěn)定的產(chǎn)生將增大火焰面面積進(jìn)而提高火焰速度，然而其使得火焰加速的增強(qiáng)幅度和持續(xù)時間尚沒有研究清楚，可信的實驗結(jié)果相對缺乏，相應(yīng)的理論尚未建立。

4 湍流非預(yù)混燃燒點火過程研究

不論是在開口流動燃燒器中[13-14,48-51]還是在密閉燃燒腔體內(nèi)[53]，湍流預(yù)混燃燒的點火或火焰?zhèn)鞑ミ^程都有著相對明確的定義和具體的量化指標(biāo)。與之形成鮮明對比的是，盡管湍流非預(yù)混燃燒的點火與傳播現(xiàn)象在航空發(fā)動機(jī)高空二次點火、非均勻預(yù)混氣電火花點火等實際應(yīng)用中廣泛存在，其物理過程尚未得到明確定義與深入研究。舉例來講，已有的關(guān)于燃?xì)廨啓C(jī)點火過程的相關(guān)研究專注于如何通過改變流場條件和電火花參數(shù)以改善燃機(jī)的整體點火性能，然

而電火花布置位置的設(shè)計很大程度由安裝空間限制和可更換性決定，并未考慮腔體內(nèi)非預(yù)混氣的混合狀況及流場分布情況。

從燃燒室的角度來看，點火是火核形成并擴(kuò)張最終形成可持續(xù)火焰的全局過程。Ahmed Mastorakos[20]基于以上定義對空氣環(huán)境中軸對稱甲烷射流的點火過程(非預(yù)混火焰)進(jìn)行了系列實驗研究。他們發(fā)現(xiàn)點火成功概率Pign要比可燃因子F小，在射流下游平均當(dāng)量比等值面與射流軸線的相交點附近體現(xiàn)尤其明顯。不僅如此，他們在實驗中觀察到電火花產(chǎn)生瞬間的局部流場速度分布對于點火成功與否有著顯著影響。實驗結(jié)果顯示電火花的點火能量、持續(xù)時間、電極間距、電極直徑對于非預(yù)混火焰點火成功概率的影響卻與預(yù)混火焰基本相同。他們在另外一項關(guān)于湍流非預(yù)混對沖火焰的研究[19]中發(fā)現(xiàn)點火成功概率Pign比可燃因子F具有更寬的流場速度和稀釋比范圍，這是由于可燃區(qū)域外電火花產(chǎn)生的能量可以通過跨區(qū)域效應(yīng)被輸運至可燃區(qū)域內(nèi)部，從而引發(fā)點火并體現(xiàn)為Pign的增大。除此之外，拉伸率的提高會大大降低點火成功概率Pign，事實上在拉伸率增大至穩(wěn)定火焰熄火(極限)拉伸率約90%時，將不能實現(xiàn)成功點火[19]。采用詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的層流非預(yù)混對稱火焰的計算結(jié)果同樣表明能夠成功點火的最大臨界拉伸率低于火焰熄火(極限)拉伸率[57]，進(jìn)一步驗證了該實驗的相關(guān)結(jié)論。

即便目前對湍流非預(yù)混燃燒點火的研究中普遍采用軸對稱射流或?qū)_這種簡單流場結(jié)構(gòu)，其研究結(jié)果已經(jīng)顯示點火過程很明顯地表現(xiàn)出對流場速度、組分分布及其各自的瞬間脈動量的強(qiáng)依賴關(guān)系。然而真實燃燒室尤其是航空發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)中涉及更復(fù)雜的回流區(qū)域，在這種流場中電火花的點火過程尚未得到相應(yīng)研究，學(xué)者對于這類點火過程中火核如何形成并傳播為可持續(xù)火焰的理解還非常缺乏。Ahmed等人[19]開發(fā)出了一種新的湍流非預(yù)混錐形鈍體繞流燃燒器，該燃燒器采用放射狀燃料噴射來模擬燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室內(nèi)的復(fù)雜流場條件并研究了在此環(huán)境中的電火花點火特性。如圖6所示，2個同心噴嘴導(dǎo)入燃燒器入口，其中外噴嘴提供空氣，內(nèi)噴嘴提供燃料。攜帶燃料的內(nèi)噴嘴在燃燒器的入口處向外分叉形成錐狀鈍體，這樣提供了一個使空氣進(jìn)入燃燒器的環(huán)形結(jié)構(gòu)。燃料在鈍體邊緣從徑向方向?qū)ΨQ射入軸向流動的空氣流中，這樣就在噴嘴的入口實現(xiàn)了燃料與空氣的部分預(yù)混，且流場在錐形鈍體后部穩(wěn)定并形成一個中心回流區(qū)域。實驗中分別使用LDV和丙酮PLIF方法測量流場速度和組分分布，利用高速OH PLIF方法實現(xiàn)點火與火焰?zhèn)鞑ミ^程的可視化，從而最終得到了不同流場條件下點火成功概率的定量數(shù)據(jù)。

圖6 Ahmed等人開發(fā)的湍流非預(yù)混錐形鈍體繞流燃燒器[19]

Fig.6 Turbulent nonpremixed bluff-body burner with radial fuel injection developed by Ahemd et al[19]

Subramanian[58]等人結(jié)合詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)建表小火焰面模型(flamelets with tabulated detailed chemistry)和設(shè)定pdfs方法對上述實驗裝置中的點火過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與多種實驗條件中觀察到的點火核的形成與發(fā)展過程進(jìn)行了對比和分析。從整體結(jié)果來看，該數(shù)值計算工作取得了與實驗數(shù)據(jù)較好的一致性，而且在與可測實驗參數(shù)的對比中發(fā)現(xiàn)拉伸率對燃燒速率的影響明顯，需要在燃燒速率模型建立過程中予以考慮。在他們的研究中突出了點火過程的高度不確定性和統(tǒng)計學(xué)特征，指出對回流火焰的點火過程的深入理解必須要結(jié)合流場內(nèi)詳細(xì)組分分布和速度測量結(jié)果來進(jìn)行，而這個結(jié)論同樣適用于噴霧燃燒問題研究，此問題對于實際應(yīng)用中(航空)燃?xì)廨啓C(jī)的二次點火至關(guān)重要。以上所述的實驗和計算結(jié)果都表明點火成功概率Pign，點火核形成概率，以及可燃因子F有著顯著的差別，并強(qiáng)調(diào)任何用于非預(yù)混火焰燃燒器中點火過程模擬的數(shù)值模型都必須具有捕捉非均勻混合物中火焰?zhèn)鞑討B(tài)特性的能力。

5 點火及火焰?zhèn)鞑?shù)值模擬

近年來，計算流體動力學(xué)(CFD)被成功用于求解質(zhì)量、動量和能量輸運方程，一定程度上補(bǔ)充和完善了可燃預(yù)混氣點火和火焰?zhèn)鞑C(jī)理的理論和實驗研究, 縮短了燃燒器的整體設(shè)計周期。數(shù)值方法和并行計算技術(shù)的改進(jìn)和進(jìn)步使得均質(zhì)[59]和非均質(zhì)[60]條件下湍流氣態(tài)混合物著火過程的直接數(shù)值模擬(DNS)成為可能?？紤]到計算成本的因素，DNS在現(xiàn)階段尚只適用于簡單火焰的機(jī)理研究，在工程實際問題中的廣泛應(yīng)用還很不現(xiàn)實。燃燒模型方面，目前國際上采用各種基于小火焰假設(shè)的燃燒模型對湍流(局部)預(yù)混燃燒中的標(biāo)量通量和反應(yīng)過程進(jìn)行了模擬，這些方法包括：增厚小火焰模型(在火焰面處應(yīng)用)；F-TACLES(化學(xué)列表-LES)；小火焰/反應(yīng)進(jìn)度變量(FPV)方法。湍流模型方面，近些年來隨著計算機(jī)性能的不斷提升，LES憑借其對大尺度湍流的強(qiáng)大捕捉能力以及對高隨機(jī)現(xiàn)象的良好適用性等諸多優(yōu)勢，在預(yù)測時間尺度跨度大、時間依賴性高的點火問題上有巨大潛力[58],已很好地解析對火焰?zhèn)鞑ミ^程影響顯著的大尺度湍流結(jié)構(gòu)。

Boileau等人[61-62]結(jié)合大渦模擬(LES)方法模擬和加厚火焰面模型成功實現(xiàn)了直升機(jī)渦軸發(fā)動機(jī)360°環(huán)形燃燒室內(nèi)點火和火焰?zhèn)鞑サ娜^程數(shù)值模擬，展示了直升機(jī)發(fā)動機(jī)內(nèi)部電火花引起初始高溫氣團(tuán)熱量釋放、液體燃燒受熱氣化、燃燒器點火裝置周圍形成可燃預(yù)混氣并在受熱后產(chǎn)生初始火焰、到火焰面從單個噴嘴出口傳播至其它噴嘴位置，直至整個燃燒室內(nèi)實現(xiàn)可持續(xù)燃燒的全過程。該數(shù)值計算采用顯式可壓縮求解器、基于簡單化學(xué)反應(yīng)的加厚火焰面模型以及模擬液體燃燒噴射的Euler-Euler (EE)模型。通過恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)后處理，該計算結(jié)果使我們對這種復(fù)雜現(xiàn)象中的物理過程有更多新的理解，例如二維或三維的火焰面?zhèn)鞑ミ^程，火焰面移動前端的拉格朗日軌跡、指定截面或控制體的歐拉特性診斷、燃燒尾氣質(zhì)量平衡計算與校核、以及火焰面詳細(xì)結(jié)構(gòu)的解析等等。從對真實點火及火焰?zhèn)鞑ヮA(yù)測能力的角度出發(fā)，已有的相關(guān)數(shù)值計算還需要在以下方面做出改進(jìn)和發(fā)展：考慮噴霧的多分散性、對液體燃燒使用更加詳細(xì)的蒸發(fā)和化學(xué)反應(yīng)模型、添加湍流與化學(xué)反應(yīng)的相互作用模塊、準(zhǔn)確刻畫燃燒器燃料注入的真實環(huán)境和過程(全旋流幾何結(jié)構(gòu)、冷卻氣膜、多孔表面等)、出口流場邊界條件的影響。除此之外，數(shù)值計算方法必須具備與簡單標(biāo)準(zhǔn)燃燒器實驗結(jié)果[19]的對比和重復(fù)能力，事實上這類對比反過來也非常有助于驗證計算過程中使用的各類子模型。從學(xué)術(shù)角度出發(fā)，燃燒器點火過程數(shù)值模擬的難點和挑戰(zhàn)在于電火花模型建立、初始點火核產(chǎn)生過程、以及火焰?zhèn)鞑ミ^程中的湍流-化學(xué)反應(yīng)相互作用。

5.1 電火花模型與點火核形成

由于涉及高溫高壓下、微小空間和短暫時間內(nèi)的等離子生成問題，且在這種極端條件下詳細(xì)燃燒化學(xué)反應(yīng)機(jī)理和經(jīng)典熱化學(xué)關(guān)系都將失效，使得點火核形成的準(zhǔn)確動態(tài)模型的建立變得異常困難[63]。在相關(guān)實驗中發(fā)現(xiàn)電火花的每一次熱量釋放都能在其周圍產(chǎn)生高溫氣體核，該高溫氣體核能否產(chǎn)生初始火焰并成功擴(kuò)張是決定整個燃燒器是否能夠點火成功的關(guān)鍵[19]。當(dāng)前在實際數(shù)值計算中廣泛采用的一種簡化方式是僅僅描述電火花促使初始點火核形成的宏觀效果[15,60,63]。比如，假設(shè)電火花是一個在時間和空間上都呈高斯分布的熱源項模型作為簡單替代[58]。

5.2 火焰?zhèn)鞑ミ^程中的湍流-化學(xué)動力學(xué)相互作用

目前湍流點火與燃燒數(shù)值計算廣泛采用的燃燒模型普遍基于一個基本假設(shè)：湍流點火過程中的化學(xué)組分局限于低維流型“very-low-dimensional manifold” ，使得湍流混合與化學(xué)反應(yīng)的耦合關(guān)系可以用少數(shù)幾個參數(shù)描述，例如混合物的混合分?jǐn)?shù)和/或反應(yīng)進(jìn)度變量。然而在強(qiáng)湍流(例如湍流Borghi機(jī)制圖[65]的thin-reaction-zones and broken-reaction-zones 區(qū)域)條件下，小尺度渦旋可能進(jìn)入火焰內(nèi)部改變其結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致火焰的局部熄火/再燃等極限現(xiàn)象出現(xiàn)的頻率大大增大，利用這些火焰面類燃燒模型[66]的計算結(jié)果往往不盡人意。與之相比，概率密度函數(shù)類燃燒模型如輸運PDF方法[67-68]在考慮強(qiáng)湍流-化學(xué)反應(yīng)相互作用方面有著獨到的優(yōu)勢。輸運PDF方法能在沒有任何假設(shè)的條件下精確地求解有限反應(yīng)速率。這一特性對預(yù)測低溫燃燒，有局部熄火/再燃現(xiàn)象的湍流火焰和排放非常重要?；赑DF方法的雷諾平均和大渦模擬已被廣泛、成功地應(yīng)用于非預(yù)混湍流燃燒中研究局部熄火/再燃和污染物生成等復(fù)雜物理過程[69-76]，涉及的小尺度混合建模、詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)高效應(yīng)用及數(shù)值實現(xiàn)方面取得了巨大進(jìn)展, 同時已被應(yīng)用于模擬燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室和往復(fù)式活塞內(nèi)燃機(jī)等發(fā)動機(jī)中的燃燒過程[66-69]。

目前為止基于PDF方法的數(shù)值模擬在湍流預(yù)混火焰中的研究還十分有限[70-74]。Lindstedt和Vaos[73]發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有混合模型對湍流火焰燃燒速度的預(yù)測有重要的影響作用，并且一些現(xiàn)有模型有著明顯的缺陷。如文獻(xiàn)[72]發(fā)現(xiàn)，在不同燃燒狀態(tài)下將湍流與標(biāo)量的混合時間比率設(shè)為常數(shù)而和燃燒狀態(tài)無關(guān)是混合模型中存在的一個嚴(yán)重不足。最近，Rowinski和Pope采用速度-湍流頻率-成分聯(lián)合概率密度函數(shù)方法模擬了一系列預(yù)混值班火焰[71]，發(fā)現(xiàn)運用現(xiàn)有混合模型，反應(yīng)進(jìn)度在不同程度上被高估了。研究得出了和文獻(xiàn)[73]類似的結(jié)論：湍流預(yù)混燃燒中反應(yīng)標(biāo)量的小尺度混合過程同時受湍流和化學(xué)反應(yīng)的影響，現(xiàn)有標(biāo)量混合將湍流與標(biāo)量的混合時間比率設(shè)為常數(shù)而和燃燒狀態(tài)無關(guān)是不合理的。此外，由于燃油噴霧燃燒自身的特殊性，液體氣化燃燒過程的存在會使得點火過程中湍流-化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)相互關(guān)系的研究變得異常困難。

5.3 超聲速燃燒的數(shù)值模擬

超聲速燃燒的概念來源于超聲速燃燒沖壓發(fā)動機(jī)，是一種燃料在超聲速氣流中混合和燃燒的物理化學(xué)過程。美國NASA的LaRC(LangleyResearchCenter)實驗室、我國的國防科技大學(xué)航天與材料工程學(xué)院[83]、科學(xué)院力學(xué)所高溫氣體動力學(xué)國家重點實驗室[84]和航空航天部三十一所[85]等研究單位針對各種類型的模型沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)的燃燒過程進(jìn)行了大量的實驗研究，由于超聲速燃燒室內(nèi)混合、激波、湍流、邊界層等與化學(xué)動力學(xué)存在著非常復(fù)雜的相互作用，使得這些實驗研究大都著眼于發(fā)動機(jī)性能的量化與提升，工程性較強(qiáng)。此外，受到實驗技術(shù)和測量技術(shù)的限制，目前尚不能在基礎(chǔ)實驗研究方面對超聲速燃燒過程中的點火和火焰穩(wěn)定進(jìn)行很好地描述和刻畫，使得研究者轉(zhuǎn)向利用數(shù)值模擬對此過程進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

目前國內(nèi)外主要采用各種基于小火焰假設(shè)的燃燒模型對超聲速燃燒模擬。針對其局部預(yù)混燃燒特性，Knudsen和Pitsch[86-87]推導(dǎo)了預(yù)混燃燒機(jī)制和擴(kuò)散燃燒機(jī)制對反應(yīng)進(jìn)度變量C方程源項的貢獻(xiàn)，將燃燒區(qū)域指數(shù)定義為2種燃燒機(jī)制的取值大小之比，并基于此定義了歸一化的加權(quán)系數(shù)，發(fā)展得到了多區(qū)域火焰面模型。Hou等[88]將這種方法應(yīng)用在超聲速燃燒流場中，并對適用于低速流動的火焰面模型引入了超聲速修正算法。

由于在超聲速燃燒條件下化學(xué)反應(yīng)尺度與湍流尺度相當(dāng)且存在局部自點火現(xiàn)象，使得燃燒模擬中采用無限化學(xué)反應(yīng)速率假設(shè)或局部預(yù)混火焰面模型等解耦流場與化學(xué)反應(yīng)的方法有較大的局限性。超聲速燃燒點火和火焰穩(wěn)定的數(shù)值模擬進(jìn)一步發(fā)展須采用概率密度函數(shù)類燃燒模型結(jié)合有限化學(xué)反應(yīng)速率或能同時刻畫著火過程和局部預(yù)混燃燒的自適應(yīng)火焰面模型，使其具備準(zhǔn)確求解湍流混合過程及局部自點火/著火現(xiàn)象的能力。近年來，Moule等人[89]、Berglund等人[90]和Miki等人[91]利用大渦模擬(LES)，Koo等人[92]利用直接數(shù)值模擬(DNS)分別對超聲速射流、超聲速模型燃燒腔等的燃燒過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，進(jìn)一步驗證了數(shù)值方法對解決超聲速燃燒問題的有效性。值得注意的是，已有數(shù)值研究主要針對氫氣等簡單燃料的超聲速燃燒過程，對實際超聲速發(fā)動機(jī)中的煤油等復(fù)雜碳?xì)浠衔锶剂系娜紵^程模擬尚較為匱乏，且缺乏燃料裂解過程的數(shù)值模擬；此外，激波存在下非完全預(yù)混區(qū)域的混合和自點火過程的模型尚不完善。

6 結(jié) 論

目前國內(nèi)外研究者對湍流下點火及火焰?zhèn)鞑サ膶嶒灐⒗碚?、?shù)值計算進(jìn)行了大量研究：在實驗方面，較為系統(tǒng)地研究了電火花點火過程以及該過程中湍流場的作用，利用球形火焰系統(tǒng)研究了Darrieus-Landau不穩(wěn)定性與擴(kuò)散-傳熱不穩(wěn)定性的形成過程及其對火焰的加速作用，使用本生燈火焰、V型火焰和球形火焰等測量了不同條件下的預(yù)混氣湍流燃燒速度并分析了燃料類型、當(dāng)量比和湍流強(qiáng)度等的影響；在理論方面，初步描述了點火核形成與點火核發(fā)展這2個點火階段并分析了燃料類型、流場拉伸和輻射損失對點火過程的影響，成功解釋了火焰不穩(wěn)定現(xiàn)象的形成機(jī)理、產(chǎn)生條件及影響，針對不同的火焰形態(tài)形成了在一定范圍內(nèi)適用的湍流火焰速度標(biāo)度律。由于點火過程、湍流-化學(xué)反應(yīng)耦合等本身的復(fù)雜性，現(xiàn)有研究對湍流環(huán)境對點火過程影響、火焰不穩(wěn)定性轉(zhuǎn)捩為湍流可能性等重要問題認(rèn)識尚不全面，已有湍流速度測量裝置僅針對特定的火焰形態(tài)、涵蓋的湍流度與環(huán)境壓力范圍有限，適用于不同幾何形態(tài)的統(tǒng)一湍流火焰速度標(biāo)度律尚有待開發(fā)，高壓、強(qiáng)湍流下火焰?zhèn)鞑ダ碚撨€很不完善。

在數(shù)值計算方面，已有研究一定程度上補(bǔ)充和完善了可燃預(yù)混氣點火和火焰?zhèn)鞑C(jī)理的理論和實驗研究,還需在液體霧化、蒸發(fā)、詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)、湍流與化學(xué)反應(yīng)等建模方面進(jìn)一步提高預(yù)測精度。 湍流模型方面，LES憑借其對大尺度湍流的強(qiáng)大捕捉能力以及對高隨機(jī)現(xiàn)象的良好適用性等諸多優(yōu)勢，在預(yù)測時間尺度跨度大、時間依賴性高的點火問題有巨大潛力，燃燒模型方面，概率密度函數(shù)類燃燒模型在考慮強(qiáng)湍流-化學(xué)反應(yīng)相互作用方面有著獨到的優(yōu)勢，當(dāng)前研究可燃?xì)恻c火過程中標(biāo)量小尺度混合、湍流混合和化學(xué)反應(yīng)3個強(qiáng)耦合物理過程的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，完善反應(yīng)標(biāo)量小尺度混合模型，可從建模上提升PDF類方法對可燃?xì)恻c火過程的模擬精度。

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(編輯：李金勇)

Research progress on ignition and flame propagation in highly turbulent flows

Li Minglei1, Wu Ning1, Hou Lingyun2, Ren Zhuyin1,2,*

(1. Center for Combustion Energy, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. School of Aerospace Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

The ignition and flame propagation of premixed mixture are commonly recognized as the key processes for reliable engine operations. Spark ignition, the most common ignition mode in engine combustion, effectively converts the electrical energy into a small heat deposit with the formation of radicals. The ignition process is constituted of two main phases, that are the ignition kernel formation and the kernel propagation. The forced ignition phenomena observed are highly transient in nature with various factors influencing the development of spark kernels from the moment of spark deposit until complete flame establishment. The most favorable ignition spots for sparking in engine combustors are influenced not just by the local equivalence ratio, but also by the time history of the velocity fluctuations, which would transport the flame kernel away from the ignition spot. To date, some fundamental physico-chemical processes of the ignition process are still unclear in highly turbulent flows which are commonly found under engine operating conditions. The problems urgent to be studied include the turbulence promotion/suppression mechanism for the ignition process, the effect of turbulence on flame propagation and the scaling law for turbulent flame speed over a wide range of pressures and turbulent intensity, the effect of heat release and flame instability on turbulent fluctuating velocity (e.g., the flame generated turbulence) and flame propagation, the transition from a laminar flame to a turbulent flame resulting from propagation acceleration due to flame instability, and the effect of combustion process on the transport of reactive scalars. In this paper, recent theoretical, experimental and numerical studies of the ignition and flame propagation in turbulent flows are reviewed together with discussions on the spark ignition in turbulent nonpremixed flames and the challenges for high-fidelity simulations of the ignition process. The needs of experimental techniques and turbulent combustion modelling for the study of the ignition process in highly turbulent flows especially under engine operating condition are also discussed.

premixed flame;flame ignition;flame propagation;turbulence;flame instability

1672-9897(2015)04-0001-11

10.11729/syltlx20150060

2015-04-17;

2015-05-22

國家自然科學(xué)基金資助(91441202)

LiML,WuN,HouLY,etal.Researchprogressonignitionandflamepropagationinhighlyturbulentflows.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2015, 29(4): 1-11. 李明磊, 吳寧, 侯凌云, 等. 強(qiáng)湍流下點火及火焰?zhèn)鞑C(jī)理研究進(jìn)展. 實驗流體力學(xué), 2015, 29(4): 1-11.

V231.2

A

李明磊(1988-)，男，河南鄭州人，博士研究生。研究方向：湍流下可燃?xì)恻c火與火焰?zhèn)鞑ヌ匦?，低雷諾數(shù)液滴、射流碰撞動力學(xué)特性。通信地址：清華大學(xué)蒙民偉科技大樓南樓625(100084)。E-mail: liml11@mails.tsinghua.edu.cn

*通信作者 E-mail: zhuyinren@tsinghua.edu.cn