王高峰, 夏一帆, 葉沉然, 胡科琪, 令狐昌鴻

(浙江大學(xué) 航空航天學(xué)院, 杭州 310000)

0 引 言

先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)大多采用環(huán)形燃燒室結(jié)構(gòu)，如何保證其在高原、高空、低溫等極端條件下的正常起動(dòng)與再點(diǎn)火能力一直是航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域研究關(guān)注的重點(diǎn)。近年來(lái)，隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)(LPP)等技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，而此類(lèi)燃燒室點(diǎn)火過(guò)程更為復(fù)雜。環(huán)形燃燒室中點(diǎn)火和火焰?zhèn)鞑ド婕皬?fù)雜的物理過(guò)程，深入理解環(huán)形燃燒室點(diǎn)火過(guò)程，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)具有重要意義。

直接對(duì)全尺度工業(yè)級(jí)燃燒室進(jìn)行點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)研究面臨著測(cè)量困難和費(fèi)用高昂等問(wèn)題，發(fā)展實(shí)驗(yàn)室尺度的燃燒室模型，在盡可能保留真實(shí)燃燒系統(tǒng)流場(chǎng)特性的同時(shí)方便光學(xué)診斷，成為了研究環(huán)形燃燒室點(diǎn)火機(jī)理的有效途徑。實(shí)驗(yàn)室模型從單頭部燃燒室[1-8]、多頭部直線排列燃燒室模型[9-12]、多頭部旋流噴嘴組成的扇區(qū)燃燒室，逐漸發(fā)展為現(xiàn)在十分關(guān)注的環(huán)形燃燒室。單頭部燃燒室實(shí)驗(yàn)裝置相對(duì)簡(jiǎn)單，光學(xué)測(cè)量便利，實(shí)驗(yàn)參數(shù)也較易實(shí)現(xiàn)，但是缺失了多個(gè)頭部火焰干涉狀態(tài)下的火焰?zhèn)鞑ヌ卣?。直線排列的多頭部燃燒室模型可以用于研究火焰干涉和頭部間聯(lián)焰機(jī)理，但不能反應(yīng)環(huán)形燃燒室真實(shí)幾何曲率作用下的火焰?zhèn)鞑ヌ匦?。多頭部扇形燃燒室可以在一定程度上反應(yīng)燃燒室的曲率特征，但是受限于兩側(cè)壁面效應(yīng)，無(wú)法準(zhǔn)確反映環(huán)形燃燒室的整個(gè)流場(chǎng)特征和周向火焰?zhèn)鞑サ暮涎孢^(guò)程。目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)發(fā)展了一些較為成熟的環(huán)形燃燒室模型，包括法國(guó)EM2C實(shí)驗(yàn)室的MICCA模型[13-17]，劍橋大學(xué)預(yù)混及非預(yù)混式環(huán)形燃燒室模型[18-20]，德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)以真實(shí)燃?xì)廨啓C(jī)等比例縮小簡(jiǎn)化而成的燃燒室模型[21-23]，以及浙江大學(xué)TurboCombo環(huán)形燃燒室與渦輪耦合模型[24-28]等。

環(huán)形燃燒室點(diǎn)火和火焰?zhèn)鞑ヌ匦允艿皆S多因素的影響，不同點(diǎn)火模式、預(yù)混和非預(yù)混條件下點(diǎn)火特性、點(diǎn)火可靠性、燃燒穩(wěn)定性及噴霧燃燒等問(wèn)題的研究已經(jīng)取得一定進(jìn)展。例如先通氣后點(diǎn)火(FFSL, Fuel First, Spark Later)模式下，周向點(diǎn)火過(guò)程包含拱形火焰面的傳播[13]，而先點(diǎn)火后通氣(SFFL, Spark First, Fuel Later)模式下，噴嘴間火焰?zhèn)鞑コ尸F(xiàn)“鋸齒形”模式[19-20]；對(duì)于不同燃料的噴霧燃燒，由于霧化特性不同，周向點(diǎn)火時(shí)間存在一定差異[17]。為了系統(tǒng)地研究環(huán)形燃燒室點(diǎn)火過(guò)程，實(shí)驗(yàn)中通常會(huì)考慮當(dāng)量比、點(diǎn)火模式、熱功率、流速、噴嘴間距等因素。

此外，隨著大規(guī)模并行計(jì)算能力的提升，利用數(shù)值方法對(duì)點(diǎn)火過(guò)程進(jìn)行模擬成為預(yù)測(cè)點(diǎn)火過(guò)程的一種重要方法[25, 29-34]。Boileau等[35]采用大渦模擬(LES)方法模擬了真實(shí)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)形燃燒室的點(diǎn)火過(guò)程。Philip等[14-16]同樣采用大渦模擬復(fù)現(xiàn)了MICCA燃燒室的周向點(diǎn)火過(guò)程，展現(xiàn)了LES描述火焰?zhèn)鞑ヌ卣鞯哪芰?。此外，Esclapez等[36]用LES研究了不同點(diǎn)火位置的點(diǎn)火概率,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好。Zhao等[25]指出自適應(yīng)網(wǎng)格加密技術(shù)(AMR)可以降低周向點(diǎn)火過(guò)程的計(jì)算代價(jià)。Neophytou等[37]還嘗試發(fā)展了一種基于點(diǎn)火位置、流動(dòng)、湍流度、混合物分?jǐn)?shù)和霧化狀態(tài)的預(yù)測(cè)點(diǎn)火概率的模型。這些數(shù)值計(jì)算方法通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果校驗(yàn)，為分析環(huán)形燃燒室周向點(diǎn)火機(jī)理提供了數(shù)值工具。

本文主要介紹國(guó)內(nèi)外幾種典型的實(shí)驗(yàn)室模型，對(duì)環(huán)形燃燒室周向點(diǎn)火過(guò)程、火焰?zhèn)鞑ツＪ?、點(diǎn)火概率及其周向點(diǎn)火時(shí)間影響因素等方面的研究工作進(jìn)行整理綜述，并介紹相關(guān)的研究進(jìn)展。

1 環(huán)形燃燒室模型

1.1 多頭部直線排列燃燒室模型

單頭部燃燒室模型是航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室研究最常用的模型，其裝置相對(duì)簡(jiǎn)單，光學(xué)測(cè)量便利，工況參數(shù)也較易實(shí)現(xiàn)，但是在點(diǎn)火研究中，缺失了多頭部火焰干涉狀態(tài)下的火焰?zhèn)鞑ルA段。因此，相關(guān)研究者[10-12]把多個(gè)頭部線性排列，搭建多頭部直線排列燃燒室模型進(jìn)行點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，成為了一種分析火焰?zhèn)鞑C(jī)理的有效替代手段，為進(jìn)一步研究環(huán)形燃燒室中點(diǎn)火聯(lián)焰機(jī)制提供了參考。圖1所示為多頭部直線排列燃燒室模型(簡(jiǎn)稱直排燃燒室模型)演化概念，即按照保持頭部距離的原則，把環(huán)形的燃燒室展開(kāi)成直線排列，常見(jiàn)的有3頭部、5頭部模型等，這樣可以局部研究火焰頭部間干涉對(duì)火焰?zhèn)鞑サ挠绊憽?/p>

圖1 多頭部直線排列燃燒室模型概念Fig.1 Evolvement of the linearly arranged multiple burners

法國(guó)魯昂大學(xué)CORIA實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一種直排多頭部燃燒室模型[10-11]，如圖2所示。為了滿足可視化觀測(cè)需求，模型高270mm，正面由石英玻璃壁面組成，并且在側(cè)面留有光路以便進(jìn)行燃燒光學(xué)診斷。該模型最主要的特征是可以調(diào)節(jié)噴嘴間距，調(diào)節(jié)范圍為90～260mm，以研究不同噴嘴間距下的火焰?zhèn)鞑ツＪ郊皞鞑r(shí)間。

圖2 法國(guó)魯昂大學(xué)CORIA實(shí)驗(yàn)室直線布置多頭部實(shí)驗(yàn)裝置[10-11]

Fig.2Theexperimentalmulti-burnersetupwithlinearlyarrangedmultipleinjectorsinstalledinLabCORIA,UniversitedeRouen[10-11]

英國(guó)劍橋大學(xué)也發(fā)展了一種非預(yù)混模式的直排多頭部旋流燃燒室模型[12]，如圖3所示。燃燒室壁面同樣由透明石英玻璃構(gòu)成，長(zhǎng)寬高為310mm×38mm×145mm。該燃燒室模型由5個(gè)旋流噴嘴線性排列而成，噴嘴直徑為18.9mm，每個(gè)噴嘴中心安裝有直徑13mm的鈍體，堵塞比為50%。空氣和燃料分別通過(guò)旋流器和鈍體中心孔進(jìn)入燃燒室。

圖3 英國(guó)劍橋大學(xué)直線布置多頭部實(shí)驗(yàn)裝置[12](單位: mm)

Fig.3Theexperimentalmulti-burnersetupwithlinearlyarrangedmultipleinjectorsinstalledinUniversityofCambridge[12](unit:mm)

類(lèi)似的直排多頭部燃燒室模型在基礎(chǔ)研究中十分常見(jiàn)，如佐治亞理工大學(xué)Tim Lieuwen課題組搭建的5頭部燃燒室直排模型，用以研究環(huán)向聲學(xué)激勵(lì)對(duì)火焰穩(wěn)定性的影響；還有日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)的3頭部實(shí)驗(yàn)裝置[9](見(jiàn)圖4)。需要強(qiáng)調(diào)的是，直排模型忽略了環(huán)形燃燒室曲率效應(yīng)；當(dāng)頭部高度與環(huán)形燃燒室外徑相比不能忽略時(shí)，由直線展開(kāi)近似引起的誤差會(huì)比較大。

圖4 日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)3頭部實(shí)驗(yàn)裝置[9]Fig.4 Multi sector unit (3 sectors) in JAXA[9]

1.2 多頭部扇區(qū)燃燒室

與直排多頭部燃燒室模型類(lèi)似，多頭部扇區(qū)燃燒室模型選取環(huán)形燃燒室的一部分，保留了曲率特征。此類(lèi)模型常見(jiàn)于工業(yè)級(jí)燃燒室測(cè)試段，將扇區(qū)燃燒室安裝在一個(gè)高壓艙里，以開(kāi)展高低壓燃燒特性試驗(yàn)，如美國(guó)航空航天局的ASCR扇區(qū)實(shí)驗(yàn)段(圖5(a))和日本JAXA實(shí)驗(yàn)室的扇區(qū)模型測(cè)試段(圖5(b))。但是，扇區(qū)燃燒室由于周向端面邊界受限，不能完全準(zhǔn)確反應(yīng)環(huán)形燃燒室全場(chǎng)的流動(dòng)特性，也不能研究周向火焰?zhèn)鞑サ暮涎孢^(guò)程。所以，盡管成本代價(jià)較大，在工業(yè)設(shè)計(jì)流程上往往還是采用全環(huán)燃燒室，在真實(shí)地面或者高空工況條件下進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)，以確保點(diǎn)火可靠性。

(a) 美國(guó)NASA ASCR實(shí)驗(yàn)裝置

(b) 日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)裝置

1.3 環(huán)形燃燒室模型

1.3.1EM2C實(shí)驗(yàn)室MICCA裝置

法國(guó)巴黎中央理工大學(xué)EM2C實(shí)驗(yàn)室發(fā)展了一種多噴嘴的環(huán)形燃燒室MICCA模型，其結(jié)構(gòu)具有實(shí)際航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的特征，并能滿足光學(xué)診斷需要，在不同實(shí)驗(yàn)配置與工況下，針對(duì)周向點(diǎn)火及燃燒不穩(wěn)定性進(jìn)行了豐富的實(shí)驗(yàn)研究。以Bourgouin等[13]所采用的MICCA實(shí)驗(yàn)設(shè)備為例(如圖6所示)，該裝置主要由燃燒室、配氣室及旋流噴嘴組成，燃燒室壁面由2根同心石英玻璃管組成，環(huán)形配氣室頂部等間距地布置16個(gè)旋流噴嘴，旋流方向俯視為順時(shí)針。丙烷與空氣經(jīng)過(guò)預(yù)混單元后再由8個(gè)配氣管道進(jìn)入配氣室，最后經(jīng)旋流噴嘴進(jìn)入燃燒室。

圖6 MICCA環(huán)形燃燒室模型示意圖[13](單位: mm)Fig.6 Schematic diagram of the experimental setup of MICCA[13] (unit: mm)

1.3.2劍橋大學(xué)環(huán)形燃燒室模型

劍橋大學(xué)環(huán)形燃燒室模型[19-20]分為預(yù)混式與非預(yù)混式2種，如圖7所示。該環(huán)形燃燒室同樣主要由燃燒室、配氣室及旋流噴嘴構(gòu)成，旋流噴嘴裝配有鈍體。

1.3.3慕尼黑工業(yè)大學(xué)的環(huán)形燃燒室模型

慕尼黑工業(yè)大學(xué)Sattelmayer課題組[23]參考真實(shí)燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室，按比例縮小制作出如圖8所示的環(huán)形燃燒室模型。該實(shí)驗(yàn)裝置主要由500kW空氣預(yù)熱器、預(yù)混燃油系統(tǒng)、環(huán)形配氣室以及與氣冷燃燒室聯(lián)接并均勻分布有12個(gè)噴嘴的燃燒平面組成。為了更好地反映真實(shí)燃?xì)廨啓C(jī)的熱聲條件，燃燒室出口由12根收縮噴管組成，配氣室與預(yù)混氣體管路之間存在近50倍的截面比，提供了高反射聲學(xué)邊界條件。

1.3.4浙江大學(xué)TurboCombo燃燒室模型

為了研究環(huán)形燃燒室與渦輪耦合作用，浙江大學(xué)搭建了TurboCombo環(huán)形燃燒室模型[26-27]，如圖9所示。該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶ōh(huán)形燃燒室和一級(jí)渦輪兩部分，并且在必要時(shí)可以將渦輪部分拆卸作為獨(dú)立環(huán)形燃燒室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。該環(huán)形燃燒室的壁面由2根同心的透明石英玻璃管(圖中1處)組成，可以方便進(jìn)行光學(xué)測(cè)量。其環(huán)形基座上等間距地布置有16個(gè)旋流噴嘴(圖中2處)?？諝夂腿剂蠚怏w在上游充分混合之后，再通過(guò)8個(gè)管道(圖中3處)送入配氣室(圖中4處)，然后通過(guò)旋流噴嘴進(jìn)入環(huán)形燃燒室。渦輪葉盤(pán)上布置有26片渦輪導(dǎo)葉以及36片渦輪動(dòng)葉。同時(shí)，渦輪葉盤(pán)與底盤(pán)的距離可以調(diào)節(jié)，以方便實(shí)驗(yàn)研究。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上已經(jīng)進(jìn)行了豐富的實(shí)驗(yàn)，研究了周向點(diǎn)火、燃燒穩(wěn)定性、渦輪導(dǎo)葉的影響等問(wèn)題。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要用于機(jī)理研究，目前最大空氣供氣流量為0.15kg/s、壓力為0.1MPa至1MPa，進(jìn)氣低溫條件(預(yù)計(jì)最低可達(dá)223K)正在進(jìn)一步建設(shè)中。

(a) 預(yù)混式[20]

(b) 非預(yù)混式[19]

Fig.7SchematicdiagramoftheexperimentalsetupinUniversityofCambridge

圖8 慕尼黑工業(yè)大學(xué)環(huán)形燃燒室模型[23]Fig.8 Annular combustor model in Technische Universit?t München[23]

Fig.9SchematicoftheTurboComboannularcombustormodelinZhejiangUniversity[26-27]

2 環(huán)形燃燒室周向點(diǎn)火過(guò)程

環(huán)形燃燒室的周向點(diǎn)火過(guò)程通?？梢苑譃?個(gè)階段，如圖10所示[13]。第一階段：初始火核的形成。通過(guò)火花塞放電、非平衡等離子體以及激光聚焦等方式在可燃?xì)怏w中輸入大量能量，引燃周?chē)目扇蓟旌蠚怏w，當(dāng)被點(diǎn)燃的氣體團(tuán)直徑達(dá)到一定臨界值，便能產(chǎn)生可自維持的層流火核；第二階段：火核生長(zhǎng)到單個(gè)噴嘴穩(wěn)定旋流火焰形成。初始火核不斷膨脹后轉(zhuǎn)捩成為湍流火核，逐漸發(fā)展為湍流火焰，進(jìn)一步傳播后在鄰近噴嘴處形成穩(wěn)定的單噴嘴旋流火焰；第三階段：周向點(diǎn)火(Light-round)，即火焰面沿著周向傳播，依次點(diǎn)燃所有旋流噴嘴，隨后周向點(diǎn)火過(guò)程產(chǎn)生的高溫燃?xì)庵饾u擴(kuò)散出燃燒室，旋流火焰持續(xù)穩(wěn)定燃燒，燃燒室達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)。

圖10 環(huán)形燃燒室周向點(diǎn)火過(guò)程的3個(gè)階段[13]

Fig.10Threephasesofthelight-roundsequenceinannularcombustor[13]

從Bourgouin等[13]實(shí)驗(yàn)拍攝的點(diǎn)火過(guò)程時(shí)序圖像(可見(jiàn)光)中可以清晰地觀測(cè)到第三階段的發(fā)展過(guò)程，如圖11所示(其中,φ為當(dāng)量比,Ub為流速)。圖12展示了點(diǎn)火過(guò)程中相對(duì)應(yīng)的亮度積分曲線，同樣可以分辨出點(diǎn)火過(guò)程的3個(gè)階段。通過(guò)亮度積分值定義了火核臨界尺寸Cs，τm表示火核從臨界尺寸Cs到兩側(cè)火焰面融合的時(shí)間，τp表示從火焰面融合到穩(wěn)定燃燒的時(shí)間。由于火核的發(fā)展、單個(gè)旋流火焰的形成以及火焰沿周向傳播，亮度積分曲線持續(xù)上升；之后，隨著下游火焰擴(kuò)散出環(huán)形燃燒室，亮度積分曲線下降直至穩(wěn)定。

Philip等[16]分別采用F-TACLES[38-39]和TFLES[40]2種湍流燃燒模型對(duì)點(diǎn)火過(guò)程進(jìn)行了大渦模擬(LES)，并將點(diǎn)火過(guò)程的第二、三階段進(jìn)一步細(xì)分，得到環(huán)形燃燒室周向點(diǎn)火過(guò)程的5個(gè)階段，如圖13所示，分別為：(1) 丙烷/空氣混合物中形成初始火核，隨后初始火核迅速膨脹(圖13(a))；(2) 火焰面以拱形傳播到鄰近的噴嘴，當(dāng)火焰面到達(dá)燃燒室出口，拱形消失(圖13(b))；(3) 火焰面沿兩側(cè)周向傳播，依次點(diǎn)燃各個(gè)噴嘴(圖13(c)和(d))；(4) 兩道火焰面在點(diǎn)火位置徑向?qū)ΨQ噴嘴處融合；(5) 高溫燃?xì)鈹U(kuò)散出燃燒室，逐漸達(dá)到穩(wěn)定燃燒狀態(tài)。從計(jì)算結(jié)果可以看到,LES模擬的周向點(diǎn)火過(guò)程計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，說(shuō)明LES具有描述火焰?zhèn)鞑シ嵌ǔ＿^(guò)程的能力。

圖11 環(huán)形燃燒室周向點(diǎn)火過(guò)程時(shí)序圖(φ=0.76，Ub=24.5 m/s)[13]

Fig.11Imagesoflightintensityemittedbytheflameduringignitionoftheannularchamber(φ=0.76,Ub=24.5m/s)[13]

圖12 周向點(diǎn)火過(guò)程亮度積分圖(φ=0.76，Ub=24.5 m/s)[13]

Fig.12Integratedlightintensityrecordedbythecameraduringignition(φ=0.76，Ub=24.5m/s)[13]

圖13 周向點(diǎn)火過(guò)程的5個(gè)階段[16](左：實(shí)驗(yàn)；中：F-TACLES模型計(jì)算結(jié)果；右: TFLES模型計(jì)算結(jié)果)

Fig.13Fiveinstantsofanignitionsequence[16](left:experimentalimages,middle:F-TACLESsimulationsandright:TFLESsimulations)

3 周向點(diǎn)火過(guò)程研究要素

3.1 火焰?zhèn)鞑ツＪ?/h3>

Cordier等[10-11]在5個(gè)直線排列的旋流噴嘴燃燒室模型上通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方式研究點(diǎn)火過(guò)程，發(fā)現(xiàn)隨著噴嘴間距的改變，會(huì)出現(xiàn)不同的火焰?zhèn)鞑ツＪ?。具體而言，當(dāng)噴嘴間距較小時(shí)(小于150mm)，火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程為“展向傳播”模式，即火焰僅沿展向在兩相鄰噴嘴間傳播；當(dāng)噴嘴間距增大至160mm時(shí)，火焰?zhèn)鞑ツＪ介_(kāi)始發(fā)生改變，火焰不僅僅沿著展向傳播，同時(shí)還沿著噴嘴軸向向下游傳播，這種模式被稱為“混合傳播”模式；繼續(xù)增大噴嘴間距(大于180mm)，此時(shí)火焰?zhèn)鞑ブ饕獮椤拜S向傳播”模式，即火焰首先沿著噴嘴軸向向下游傳播，然后進(jìn)入相鄰未燃噴嘴的回流區(qū)，沿著噴嘴軸向向上游傳播直至點(diǎn)燃整個(gè)相鄰噴嘴。“展向傳播”模式快速穩(wěn)定且點(diǎn)火時(shí)間較短，而“軸向傳播”模式點(diǎn)火時(shí)間較長(zhǎng)甚至可能導(dǎo)致點(diǎn)火失敗。

劍橋大學(xué)Machover和Mastorakos[19-20]在環(huán)形燃燒室模型中也觀察到類(lèi)似的“軸向傳播”模式，并形象地將其命名為“鋸齒形傳播”模式。圖14展示了5kHz高速相機(jī)記錄的火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中OH*發(fā)光信號(hào)，可以清楚地觀測(cè)到這種“鋸齒形傳播”模式。令狐昌鴻等[26]在浙江大學(xué)TurboCombo實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，采用先點(diǎn)火后通氣模式，也觀察到相似的“鋸齒形傳播”周向點(diǎn)火聯(lián)焰模式，圖15所示為無(wú)量綱化后的火焰自發(fā)光亮度值(400～700nm帶通濾波)。目前，已有相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究了噴嘴間距和點(diǎn)火模式對(duì)火焰?zhèn)鞑ツＪ降挠绊?，但是?dāng)量比對(duì)火焰?zhèn)鞑ツＪ降挠绊懸廊恍枰嗟膶?shí)驗(yàn)研究。

(a)

(b)

(c)

圖14 噴嘴間火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程O(píng)H*發(fā)光側(cè)視圖(φ=0.70，Ub=10 m/s)[20]

Fig.14Sidevisualizationofevolutionofasuccessfulburner-to-burnerflamepropagation(φ=0.70，Ub=10m/s)[20]

圖15 周向火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程時(shí)序圖(φ=0.70，P=15.5kW)[26]Fig.15 Images of the light-round sequence (φ=0.70，P=15.5kW)[26]

3.2 點(diǎn)火概率

Bach和Mastorakos等[12,18]研究了不同點(diǎn)火位置的點(diǎn)火概率Pign。Pign定義為N次點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)中成功點(diǎn)火的概率。通過(guò)改變點(diǎn)火位置進(jìn)行多次點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，點(diǎn)火位置靠近中心鈍體時(shí)，Pign較大，如圖16中的AX1處。同時(shí)他們還發(fā)現(xiàn)Pign與當(dāng)?shù)豄a數(shù)以及當(dāng)?shù)亓魉俚姆较蛴嘘P(guān)，一般地，在低Ka數(shù)和負(fù)流速(速度方向指向鈍體)處，Pign較高。

圖16 不同點(diǎn)火位置示意圖[18]Fig.16 Different spark positions[18]

進(jìn)一步，在直列多頭部燃燒室模型(見(jiàn)圖3)上，他們更細(xì)致地測(cè)量了噴嘴軸向平面內(nèi)42處的Pign，研究與可燃因子F、軸向速度(Uz/Ub)和湍流脈動(dòng)速度(u′/Ub)之間的關(guān)系，結(jié)果如圖17所示?？梢钥吹?，Pign在中心5～15mm的較窄區(qū)域內(nèi)(對(duì)應(yīng)著中心射流區(qū))取值較小，這是由于在這一區(qū)域內(nèi)湍流脈動(dòng)強(qiáng)度很大造成的(見(jiàn)圖17(c))。此外，對(duì)比圖17(a)和(d)可知，高點(diǎn)火概率區(qū)域內(nèi)主流速度多為負(fù)值，這說(shuō)明成功點(diǎn)火的一大要素就是初始火核能夠沿著回流區(qū)向上游傳播從而點(diǎn)燃整個(gè)噴嘴。

圖17 (a) 點(diǎn)火概率 (b) 可燃因子 (c) 歸一化的湍流脈動(dòng)速度 (d) 歸一化的軸向速度(φ=0.35，Ub=10 m/s)[12]

Fig.17Measurements: (a)probabilityofignition(b)flammabilityfactor(c)normalizedfluctuationoftheturbulentvelocity(d)normalizedaxialvelocity(φ=0.35，Ub=10m/s)[12]

3.3 點(diǎn)熄火極限

Machover和Mastorakos[19]研究了12噴嘴、15噴嘴、18噴嘴這3種結(jié)構(gòu)下環(huán)形燃燒室模型中的點(diǎn)火、熄火極限。熄火極限定義為：在燃燒狀態(tài)下，逐漸增加空氣流量直至90%的噴嘴被吹熄；點(diǎn)火極限定義為：當(dāng)空氣流量一定時(shí)，逐漸增大燃?xì)饬髁恐敝烈粋€(gè)噴嘴被點(diǎn)燃(單噴嘴點(diǎn)火極限)和火焰成功周向傳播(周向點(diǎn)火極限)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖18所示，圖中的AFR表示空氣-燃料比。

從圖18(a)～(c)中可以看到，對(duì)于3種構(gòu)型，熄火極限都大于點(diǎn)火極限，單頭部點(diǎn)火極限都大于周向點(diǎn)火極限。對(duì)于小噴嘴間距結(jié)構(gòu)(如15、18噴嘴)，當(dāng)流速增大時(shí)，單頭部點(diǎn)火極限與周向點(diǎn)火極限趨于一致。這可能是因?yàn)殡S著流速增加，相鄰頭部旋流間干涉增加，則單頭部一旦點(diǎn)燃，火焰就更容易傳播到相鄰未燃噴嘴，從而完成周向火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程。此外，根據(jù)圖18(e)可知，噴嘴間距越小(噴嘴數(shù)目越多)，周向點(diǎn)火極限越寬，即更容易成功點(diǎn)火。

(a) 12噴嘴

(b) 15噴嘴

(c) 18噴嘴

(d) 3種結(jié)構(gòu)的單噴嘴點(diǎn)火極限

(e) 3種結(jié)構(gòu)的周向點(diǎn)火極限

Fig.18Stabilityandignitionlimitsforthe12-burners(a),15-burners(b)and18-burners(c)configurations.Theone-burnerandlight-roundignitionlimitsforthreeconfigurationsaresummarizedin(d)and(e)[19]

3.4 火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程對(duì)稱性

旋流噴嘴能夠穩(wěn)定火焰并且拓寬燃燒室工作范圍，但是旋流引入的切向速度分量會(huì)影響火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程的對(duì)稱性。劍橋大學(xué)的環(huán)形燃燒室模型[19]中布置了12個(gè)旋流方向俯視為逆時(shí)針的旋流噴嘴。周向排列的旋流噴嘴會(huì)在燃燒室外壁面附近形成逆時(shí)針的周向速度分量，而在燃燒室內(nèi)壁面附近形成順時(shí)針的周向速度分量，如圖19所示，圖中S表示噴嘴間距。在這樣的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)影響下，周向火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程會(huì)出現(xiàn)不對(duì)稱性。

圖19 劍橋大學(xué)環(huán)形燃燒室示意圖(俯視)[19]

Fig.19OverheadschematicoftheannularcombustorinUniversityofCambridge[19]

圖20展示了該模型中記錄的周向火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中OH*信號(hào)的圖像?？梢悦黠@看出兩道火焰面的傳播存在不對(duì)稱性，沿逆時(shí)針?lè)较騻鞑サ幕鹧婷黠@快于順時(shí)針?lè)较颉＠?，在t=409ms時(shí)，火焰沿逆時(shí)針?lè)较蛞呀?jīng)點(diǎn)燃了1～9號(hào)噴嘴，而在順時(shí)針?lè)较蛏蟽H點(diǎn)燃了12和11號(hào)2個(gè)噴嘴?？梢?jiàn)由于旋流器周向排列的構(gòu)型存在特定的頭部間火焰干涉，引起的火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程不對(duì)稱性十分顯著。需要指出的是，頭部間距也會(huì)顯著影響火焰干涉情況(如圖21所示)，進(jìn)而影響點(diǎn)火過(guò)程的火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程。事實(shí)上，整個(gè)點(diǎn)火聯(lián)焰過(guò)程的不對(duì)稱性很難在只有3頭部或者5頭部的扇區(qū)燃燒室模型中反映，這也是考慮全環(huán)形燃燒室模型實(shí)驗(yàn)的重要因素之一。

圖20 劍橋大學(xué)環(huán)形燃燒室模型的周向火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程(俯視,φ=0.40)[19]

Fig.20Topviewofburner-to-burnerignitionsequenceintheannularcombustorinUniversityofCambridge(φ=0.40)[19]

圖21 劍橋大學(xué)環(huán)形燃燒室模型頭部干涉OH*基自發(fā)光平均場(chǎng)[41](a)頭部間距是2.33倍噴嘴直徑；(b)頭部間距是1.56倍噴嘴直徑

Fig.21Extentofflameinteractioninanannularcombustormea-suredviatime-averageOH*chemiluminescencefromanoverheadviewwithtwonozzlespacings: (a)2.33and(b)1.56timesthenozzlediameter[41]

圖22 浙江大學(xué)斜噴環(huán)流環(huán)形燃燒室的周向點(diǎn)火過(guò)程[24](φ=0.75，P=18.6kW)

Fig.22Light-roundignitionsequencesintheoblique-injectingannularcombustorinZhejiangUniversity(φ=0.75,P=18.6kW)[24]

3.5 周向點(diǎn)火時(shí)間

周向點(diǎn)火時(shí)間是衡量環(huán)形燃燒室點(diǎn)火過(guò)程可靠性與穩(wěn)定性的一個(gè)重要參數(shù)。通常將初始火核生成時(shí)刻定為周向點(diǎn)火過(guò)程的起點(diǎn)，將火焰最終點(diǎn)燃所有噴嘴時(shí)刻定為周向點(diǎn)火過(guò)程的終點(diǎn)，兩者之間的間隔即為周向點(diǎn)火時(shí)間。環(huán)形燃燒室周向點(diǎn)火時(shí)間也受到諸多因素影響，包括噴嘴間距、燃料種類(lèi)、燃燒室壁面溫度、當(dāng)量比及流速、周向速度分量、點(diǎn)火模式、點(diǎn)火位置等。需要指出的是，在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室尺度環(huán)形燃燒室模型基礎(chǔ)研究中，還沒(méi)有考慮實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)地面點(diǎn)火或高空點(diǎn)火的溫度壓力條件，相關(guān)研究報(bào)道仍然僅限于常溫常壓條件；但是進(jìn)氣溫度、壓力條件對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懛浅４?，基礎(chǔ)研究單位仍需與工業(yè)部門(mén)緊密合作，以創(chuàng)造條件拓展實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)范圍。

3.5.1噴嘴間距

Cordier等[10]在間距可調(diào)的5個(gè)線性排列旋流噴嘴燃燒室模型上，研究了不同噴嘴間距對(duì)點(diǎn)火時(shí)間的影響，結(jié)果如圖23所示。從圖中可以清楚地看到，隨著噴嘴間距的增加，火焰?zhèn)鞑ニ钑r(shí)間總體呈增加趨勢(shì)。這種變化趨勢(shì)與火焰?zhèn)鞑ツＪ矫芮邢嚓P(guān)，因?yàn)樵陂g距較小時(shí)，火焰?zhèn)鞑榭焖俚摹罢瓜騻鞑ァ蹦Ｊ?，而隨著間距增大，火焰逐漸變?yōu)椤拜S向傳播”模式，這種模式整體傳播時(shí)間長(zhǎng)，甚至?xí)?dǎo)致點(diǎn)火失敗。

圖23 噴嘴間距對(duì)火焰?zhèn)鞑r(shí)間的影響[10]Fig.23 Spacing effect of injectors on flame propagation time[10]

Barré等[11]結(jié)合實(shí)驗(yàn)和大渦模擬方法，在線性排列的多頭部燃燒室模型上，研究了不同噴嘴間距下2個(gè)相鄰噴嘴之間的火焰?zhèn)鞑r(shí)間，結(jié)果如圖24所示。圖24中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是20次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的平均值，LES則是單次的結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著噴嘴間距增加，火焰?zhèn)鞑r(shí)間呈上升趨勢(shì)。值得關(guān)注的是，當(dāng)噴嘴間距較小時(shí)，遵循“展向傳播”模式，火焰?zhèn)鞑r(shí)間與噴嘴間距之間有較好的線性關(guān)系，并且實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性也較好，這說(shuō)明“展向傳播”模式是一種相對(duì)穩(wěn)定的傳播模式；而當(dāng)噴嘴間距較大時(shí)，以“軸向傳播”模式為主，火焰?zhèn)鞑r(shí)間與噴嘴間距之間不再是簡(jiǎn)單線性關(guān)系，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性也較大，這表明“軸向傳播”模式更具隨機(jī)性。從圖24中還可以看到LES模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得較好，說(shuō)明LES具有獲得火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程主要特征的能力。

圖24 噴嘴間距對(duì)火焰在相鄰噴嘴間傳播所用時(shí)間的影響[11](實(shí)驗(yàn)與LES結(jié)果)

Fig.24ExperimentsversusLES:spacingeffectonthefirstinjector/injectorpropagationtime[11]

Machover和Mastorakos[20]也研究了不同噴嘴間距下環(huán)形燃燒室模型中的周向點(diǎn)火時(shí)間，結(jié)果如圖25(a)所示，圖中標(biāo)示代表“噴嘴間距_當(dāng)量比_峰流速度”，ws(without swirl)表示未安裝旋流器?？梢钥吹?，同樣有噴嘴間距越大，周向點(diǎn)火時(shí)間越長(zhǎng)的情況。

3.5.2燃料種類(lèi)

Prieur等[17]比較了3種不同燃料(氣態(tài)的丙烷、液態(tài)的庚烷、液態(tài)的十二烷)的周向點(diǎn)火時(shí)間，結(jié)果如表1所示。實(shí)驗(yàn)中對(duì)環(huán)形燃燒室進(jìn)行了預(yù)熱，使壁面溫度達(dá)到900K。結(jié)果發(fā)現(xiàn)庚烷比丙烷周向點(diǎn)火時(shí)間長(zhǎng)約20%，而十二烷則比丙烷長(zhǎng)約50%，這表明不同燃料特性對(duì)點(diǎn)火時(shí)間存在影響，主要是因?yàn)闅鈶B(tài)燃料在合適的配比下能夠直接燃燒，而液態(tài)燃料在可燃之前需要經(jīng)過(guò)霧化蒸發(fā)的過(guò)程，并且，蒸發(fā)所需時(shí)間還與液滴的粒徑、溫度等因素相關(guān)，因此越難霧化蒸發(fā)的燃料(十二烷)，點(diǎn)火所需的時(shí)間就越長(zhǎng)。

(a) 噴嘴間距

(b) 主流速度

(c) 當(dāng)量比

(d) 旋流

Fig.25Fractionofannularcombustorareaignitedvs.time.Foreachflame,fourseparateignitionevents(finedottedlines)andtheiraverage(thicksolidlines)areshown[20]

表1 主流一定，各燃料在當(dāng)量比、功率增大時(shí)的周向點(diǎn)火時(shí)間[17]Table 1 Mean light-round time delay τl for increasing equivalence ratio and power when bulk velocity is kept constant[17]

3.5.3燃燒室壁面溫度

Philip等[15]通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比了燃燒室壁面在冷態(tài)及預(yù)熱狀態(tài)下的周向點(diǎn)火時(shí)間，如圖26所示。在不同流速下記錄了從點(diǎn)火到火焰面匯合所需時(shí)間，圖中COLD表示未預(yù)熱的冷態(tài)，而PREHEATED表示燃燒室點(diǎn)火前先進(jìn)行10min燃燒預(yù)熱的狀況。可以發(fā)現(xiàn)，預(yù)熱狀態(tài)下周向點(diǎn)火時(shí)間比冷態(tài)下縮短了近30ms，這主要是因?yàn)楸诿鏈囟壬仙沟没鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣忍岣?。由此可知，燃燒室壁面溫度?duì)周向點(diǎn)火時(shí)間有重要影響。

Fig.26FlamefrontsmergingtimeasafunctionofthebulkvelocityUbincoldandpreheatedconditions[15]

3.5.4當(dāng)量比及流速

Prieur等[17]在不同當(dāng)量比及流速條件下研究了周向點(diǎn)火時(shí)間，如圖27所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，流速一定時(shí)，周向點(diǎn)火時(shí)間隨當(dāng)量比的增大而縮短，這主要是由于當(dāng)量比的增大，一方面會(huì)增加火焰?zhèn)鞑ニ俣?，另一方面，燃后氣體溫度隨當(dāng)量比增大而上升，產(chǎn)生更顯著的體積熱膨脹效應(yīng)，這也會(huì)加速火焰?zhèn)鞑?；?dāng)量比一定時(shí)，周向點(diǎn)火時(shí)間隨流速增大而縮短，這是因?yàn)樵龃罅魉僖馕吨牧鞫仍鰪?qiáng)，這使得火焰褶皺加劇，從而加速火焰?zhèn)鞑?。同時(shí)，火焰在噴嘴間的傳播存在一種“鋸齒形傳播”模式，而更高的湍流度就會(huì)使得未燃噴嘴的回流區(qū)有更大的幾率捕獲到相鄰已燃噴嘴的火焰片段，這也會(huì)使周向點(diǎn)火時(shí)間縮短。

Machover和Mastorakos[20]也研究了當(dāng)量比及流速對(duì)周向點(diǎn)火時(shí)間的影響。同樣發(fā)現(xiàn)，增大當(dāng)量比及流速會(huì)縮短周向點(diǎn)火時(shí)間，結(jié)果如圖25(b)和(c)所示。

Bourgouin等[13]在MICCA環(huán)形燃燒室模型上通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法研究了流速對(duì)周向點(diǎn)火時(shí)間的影響，結(jié)果如圖28所示?？梢钥吹街芟螯c(diǎn)火時(shí)間隨流速增大而減小，G方程模擬的結(jié)果在量級(jí)及趨勢(shì)上與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，并且在較大流速條件下，兩者吻合得更好。

(a) 主流速度Ub一定

(b) 當(dāng)量比φ一定

Fig.27Light-rounddelayτlwhen: (a)thebulkvelocityUb, (b)theequivalenceratioφkeptconstantformultiplefuels[17]

圖28 實(shí)驗(yàn)和基于G方程數(shù)值模擬得到的周向點(diǎn)火時(shí)間[13]

Fig.28Totalpropagationtimededucedfromexperimentalresults(red)andfromsimulationsbasedontheG-equation(black)[13]

3.5.5點(diǎn)火模式

點(diǎn)火模式主要涉及2種，先點(diǎn)火后通氣(SFFL, Spark First, Fuel Later)以及先通氣后點(diǎn)火(FFSL, Fuel First, Spark Later)，而SFFL模式是實(shí)際航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中普遍采用的點(diǎn)火模式。EM2C實(shí)驗(yàn)室在MICCA環(huán)形燃燒室模型中采用的是FFSL模式，該模式的實(shí)驗(yàn)重復(fù)性較好，并且方便進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證，而劍橋大學(xué)在實(shí)驗(yàn)中所采用的則是SFFL模式。因此,需要考慮不同模式對(duì)周向點(diǎn)火時(shí)間的影響。

根據(jù)令狐昌鴻等[26]的研究結(jié)果，不同點(diǎn)火模式下，周向點(diǎn)火時(shí)間存在顯著差異，如圖29所示。FFSL模式下的周向點(diǎn)火時(shí)間要遠(yuǎn)短于SFFL模式。這主要是因?yàn)樵贔FSL模式下，預(yù)混氣體已經(jīng)充滿了整個(gè)環(huán)形燃燒室，初始火核在形成后能很順利地?cái)U(kuò)張并發(fā)展為火焰繼續(xù)傳播，而SFFL模式下，點(diǎn)火過(guò)程還受到燃?xì)鈸交旃┙o、流場(chǎng)結(jié)構(gòu)等因素的影響，使得點(diǎn)火過(guò)程隨機(jī)性變大，因此周向點(diǎn)火時(shí)間顯著增長(zhǎng)。

圖29 點(diǎn)火模式對(duì)周向點(diǎn)火時(shí)間的影響[26]Fig.29 Influence of ignition mode on the light-round time[26]

3.5.6周向速度分量

葉沉然等[24,28]在TurboCombo實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上通過(guò)改變噴嘴入射角度來(lái)研究周向速度分量對(duì)周向點(diǎn)火的影響(周向速度分量的方向俯視為逆時(shí)針)。

圖30展示了FFSL模式下，傾斜噴嘴和豎直噴嘴2種結(jié)構(gòu)的周向點(diǎn)火時(shí)間變化規(guī)律。在周向速度分量的作用下，沿逆時(shí)針傳播的火焰面得到加速，而沿順時(shí)針?lè)较騻鞑サ幕鹧婷鎰t被抑制。這種影響在主流速度或者說(shuō)周向速度分量較小的情況下使得周向點(diǎn)火時(shí)間延長(zhǎng)。但隨著主流速度的不斷增大，周向速度分量也隨之不斷增大，這時(shí)周向速度分量已經(jīng)與火焰本身的傳播速度量級(jí)相當(dāng)，周向速度分量主導(dǎo)了整個(gè)火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程。因此，在較大的周向速度推動(dòng)下，火焰的周向傳播速度加快，周向點(diǎn)火時(shí)間縮短。

圖30 不同噴嘴結(jié)構(gòu)下周向點(diǎn)火時(shí)間t的變化規(guī)律(FFSL模式)[28]Fig.30 Time delay t for different injection types (FFSL mode)[28]

而對(duì)于SFFL點(diǎn)火模式，在周向速度的主導(dǎo)作用下，火焰的周向傳播模式從雙向傳播轉(zhuǎn)變?yōu)閮H沿周向速度分量方向單向傳播(見(jiàn)圖22)，這就使得周向點(diǎn)火時(shí)間顯著延長(zhǎng)，如圖31所示。傾斜噴嘴的周向點(diǎn)火時(shí)間要明顯大于豎直噴嘴的周向點(diǎn)火時(shí)間。

圖31 不同噴嘴結(jié)構(gòu)下周向點(diǎn)火時(shí)間t的變化規(guī)律(SFFL模式)[24]Fig.31 Time delay t for different injection types (SFFL mode)[24]

3.5.7旋流

Machover和Mastorakos[20]通過(guò)是否在噴嘴中安裝旋流器研究了旋流對(duì)周向點(diǎn)火時(shí)間的影響。在圖25(d)中未安裝旋流器，可以看出引入旋流可以縮短周向點(diǎn)火時(shí)間。這是由于安裝旋流器能夠加快混合，并提高湍流度，使得湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾樱瑥亩s短周向點(diǎn)火時(shí)間。

3.5.8點(diǎn)火器位置

Bourgouin等[13]將點(diǎn)火器置于不同位置，分別為噴嘴外側(cè)E、噴嘴中心C、噴嘴內(nèi)側(cè)I，進(jìn)行了點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖32所示。可以發(fā)現(xiàn)，不同的點(diǎn)火位置下，周向點(diǎn)火時(shí)間基本接近，這可能是由于在高湍流度下，3個(gè)位置形成的初始火核都能夠順利地進(jìn)入噴嘴的中心回流區(qū)成功點(diǎn)燃噴嘴。

(a)

(b)

圖32 不同位置點(diǎn)火器示意圖(E：紅；I：綠；C：藍(lán))及對(duì)應(yīng)的火焰面融合時(shí)間[13]

Fig.32Schematictopviewoftheexperiment,showingthedifferentigniterslocations:E:external(red),I:internal(green),C:central(blue)anditscorrespondingpropagationtime[13]

3.5.9渦輪導(dǎo)葉

葉沉然等[27]在浙江大學(xué)TurboCombo實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)比研究了燃燒室出口安裝渦輪導(dǎo)葉和獨(dú)立燃燒室2種構(gòu)型下的周向點(diǎn)火過(guò)程。圖33展示了2種構(gòu)型在相同工況下同一時(shí)刻的火焰自發(fā)光的可見(jiàn)光圖像，周向點(diǎn)火過(guò)程火焰?zhèn)鞑サ膸讉€(gè)階段大致相同，但是在燃燒室出口處收斂段和渦輪導(dǎo)葉作用使得當(dāng)?shù)亓鲌?chǎng)加速，對(duì)火焰?zhèn)鞑サ挠绊懕容^顯著。

(a) 安裝渦輪導(dǎo)葉

(b) 未安裝渦輪導(dǎo)葉

Fig.33FlamevisualizationinTurboComboduringlight-roundsequence[27]

同時(shí)，在2種構(gòu)型下對(duì)比了周向點(diǎn)火時(shí)間，發(fā)現(xiàn)在燃燒室出口安裝渦輪導(dǎo)葉會(huì)縮短周向點(diǎn)火時(shí)間，如圖34所示。這主要是由于渦輪導(dǎo)葉的存在改變了出口條件，點(diǎn)火過(guò)程中燃燒室內(nèi)非定常流場(chǎng)結(jié)構(gòu)隨之改變。渦輪導(dǎo)葉對(duì)點(diǎn)火過(guò)程的影響是目前較新的研究問(wèn)題，在工程實(shí)踐上也存在燃燒室部件實(shí)驗(yàn)得到的點(diǎn)火性能與整機(jī)差別較大的情況。渦輪導(dǎo)葉對(duì)點(diǎn)火瞬間非定常流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制，依然需要更多實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值仿真的基礎(chǔ)研究。

4 點(diǎn)火不確定性

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室設(shè)計(jì)中普遍采用SFFL點(diǎn)火模式，該點(diǎn)火模式易受流動(dòng)的影響，且由于點(diǎn)火和火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程均為湍流火焰，由此帶來(lái)的周向點(diǎn)火過(guò)程比FFSL模式具有更大的不確定性。

在浙江大學(xué)TurboCombo平臺(tái)上研究了2種點(diǎn)火模式的不確定性[26]。圖35給出了2種點(diǎn)火模式6次獨(dú)立重復(fù)點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)的火焰積分亮度曲線圖?？梢钥吹?，F(xiàn)FSL點(diǎn)火模式的火焰積分亮度曲線重合度比SFFL模式好，即FFSL模式的重復(fù)性更好。在6次試驗(yàn)中，F(xiàn)FSL點(diǎn)火模式的周向點(diǎn)火時(shí)間的平均值為54.0ms，標(biāo)準(zhǔn)差為2.9ms，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差5.4%；SFFL周向點(diǎn)火時(shí)間的平均值為177ms，標(biāo)準(zhǔn)差為25.5ms，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差14.4%。另外，由于SFFL模式的周向點(diǎn)火過(guò)程更易受湍流的影響，火焰積分亮度曲線增長(zhǎng)斜率一致性差，周向點(diǎn)火時(shí)間不確定性較大。

圖34 渦輪導(dǎo)葉對(duì)周向點(diǎn)火時(shí)間的影響[27]

Fig.34Theinfluenceoftheturbineguidevanestothelight-roundtime[27]

圖35 火焰積分亮度隨時(shí)間變化曲線的重復(fù)性(φ=0.70，P=15.5kW)[26]

Fig.35Therepeatabilityoftemporalevolutionofintegratedlightintensity(φ=0.70，P=15.5kW)[26]

5 結(jié) 論

本文介紹了國(guó)內(nèi)外幾種典型的環(huán)形燃燒室模型，并總結(jié)了環(huán)形燃燒室周向點(diǎn)火過(guò)程機(jī)理研究的進(jìn)展。結(jié)論如下:

(1) 現(xiàn)有的環(huán)形燃燒室模型結(jié)構(gòu)大體相同，主要由配氣室、輸氣管路、旋流噴嘴和燃燒室組成。實(shí)驗(yàn)中，為了滿足可視化觀測(cè)需求，燃燒室壁面通常由耐高溫的透明石英玻璃管組成。除了實(shí)驗(yàn)手段外，也可以通過(guò)數(shù)值方法(如大渦模擬等非定常數(shù)值方法)對(duì)點(diǎn)火過(guò)程進(jìn)行模擬。現(xiàn)有的研究結(jié)果表明，LES具有描述火焰?zhèn)鞑サ闹饕卣?、研究周向點(diǎn)火機(jī)理的能力，但所需計(jì)算資源依然較大。

(2) 周向點(diǎn)火時(shí)間是環(huán)形燃燒室的重要參數(shù)，受多種因素影響。一般地，周向點(diǎn)火時(shí)間隨噴嘴間距的縮短，總體當(dāng)量比、流速的提高，壁面溫度上升及旋流的增強(qiáng)而減小，這主要是由于不同的火焰?zhèn)鞑ツＪ?、火焰?zhèn)鞑ニ俣取⑼牧髅}動(dòng)、火焰面褶皺等因素造成的。通常FFSL模式比SFFL模式的周向點(diǎn)火時(shí)間短，氣態(tài)燃料較液體燃料的周向點(diǎn)火時(shí)間短，而點(diǎn)火位置的變化對(duì)點(diǎn)火時(shí)間影響不明顯，但是對(duì)點(diǎn)火概率有影響。另外，改變?nèi)紵页隹谶吔鐥l件(例如安裝渦輪導(dǎo)葉)，會(huì)縮短周向點(diǎn)火時(shí)間。

(3) 實(shí)驗(yàn)中通常采用高速攝像機(jī)記錄整個(gè)火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程的CH*或OH*自由基的自發(fā)光圖像，進(jìn)一步分析周向點(diǎn)火過(guò)程。為了更深入地研究火焰周向傳播機(jī)理，實(shí)驗(yàn)中也逐漸開(kāi)始運(yùn)用一些高時(shí)空分辨率光學(xué)診斷方法(如PLIF、PIV等)來(lái)獲取燃燒室中的組分和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)等，但這些診斷方法在環(huán)形燃燒室中的應(yīng)用依然還存在一些障礙，有待進(jìn)一步完善。

環(huán)形燃燒室周向點(diǎn)火過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜過(guò)程，蘊(yùn)含豐富科學(xué)問(wèn)題，點(diǎn)火機(jī)理依然是目前較活躍的研究問(wèn)題，有待進(jìn)一步深入研究，特別是點(diǎn)火不確定性、氣液燃料的點(diǎn)火過(guò)程間差異、進(jìn)氣溫度壓力影響、出口影響和燃燒室渦輪耦合等方面，依然需要更多的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值研究。