孟宇，顧洪斌，孫文明，張新宇

1. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 工程科學(xué)學(xué)院，北京 100049 2. 中國(guó)科學(xué)院 力學(xué)研究所 高溫氣體動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190

高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)中，燃料空氣混合、點(diǎn)火、火焰穩(wěn)定和冷卻[1-2]是具有挑戰(zhàn)性的工作。在高馬赫數(shù)下，空氣在燃燒室停留時(shí)間(tflow≈0.5 ms)甚至比典型的燃料射流自點(diǎn)火時(shí)間(tig≈1～2 ms)還要短[3]。傳統(tǒng)的被動(dòng)穩(wěn)焰方式如凹腔穩(wěn)焰和支板穩(wěn)焰將火焰穩(wěn)定在渦結(jié)構(gòu)中達(dá)到穩(wěn)定燃燒目的。而這種由燃燒室超聲速來流主導(dǎo)的、被動(dòng)形成的穩(wěn)焰模式，來流狀態(tài)的不穩(wěn)定與燃燒不穩(wěn)定的相互作用，會(huì)對(duì)火焰結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[4-8]。因此需要更為有效的穩(wěn)焰方式，在來流狀態(tài)發(fā)生改變的時(shí)候主動(dòng)穩(wěn)定火焰。

對(duì)于等離子體增強(qiáng)超聲速燃燒國(guó)內(nèi)已經(jīng)有大量研究。中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所的余西龍等[10]利用1.5 kW電弧放電火炬等離子體成功進(jìn)行了液體煤油超燃點(diǎn)火，在馬赫數(shù)為1.8、總溫為950 K、液體煤油噴射壓力范圍為1.5～2.5 MPa、當(dāng)量比為0.2～0.3的實(shí)驗(yàn)條件下，利用N2為饋料的等離子炬點(diǎn)火成功。國(guó)防科技大學(xué)的孫明波等[11]進(jìn)行了多種等離子體點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，利用火花放電、滑移電弧和激光等進(jìn)行了乙烯凹腔穩(wěn)焰研究。李俊等[12]利用滑移電弧結(jié)合凹腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火和穩(wěn)焰實(shí)驗(yàn)，燃燒室來流馬赫數(shù)為2.52，電弧功率為1 199 W，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)滑移電弧將貧燃點(diǎn)火極限擴(kuò)展了17%。李曉輝等[13]成功利用激光誘導(dǎo)的等離子體進(jìn)行了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)凹腔穩(wěn)焰結(jié)構(gòu)液態(tài)煤油的點(diǎn)火試驗(yàn)。國(guó)防科技大學(xué)的安斌等[14]進(jìn)行了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)激光等離子體點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)來流馬赫數(shù)為2.92，總溫為1 650 K，總壓為2.6 MPa，乙烯燃料當(dāng)量比為0.152，實(shí)驗(yàn)成功進(jìn)行了激光點(diǎn)火，證實(shí)了通過增加點(diǎn)火能量，可以縮短點(diǎn)火時(shí)間，提高激光脈沖點(diǎn)燃燃燒室的可能性。

在超燃的應(yīng)用中，無論是等離子炬還是在燃燒室直接產(chǎn)生等離子體，研究多為單一放電方式，而這些方法僅能夠在單一位置產(chǎn)生等離子體，不能形成全場(chǎng)助燃或多點(diǎn)點(diǎn)火的效果。Khodataev[15]的研究認(rèn)為，微波可以在空間、物體表面或通過天線進(jìn)行放電。而亞臨界微波放電由于其能在高壓氣體中產(chǎn)生的特征而有希望作為燃燒應(yīng)用的最有前途的放電類型。亞臨界微波放電可以有效地耦合到電離初始區(qū)域，存在一個(gè)體積分布的飄帶式電離區(qū)，這能夠作為容積燃燒的點(diǎn)火火源引燃整個(gè)燃燒區(qū)域，這對(duì)于超燃或者高速亞燃都是最具有應(yīng)用前途的。另外，微波放電區(qū)可以作為火焰穩(wěn)定器，不使用凹腔或其他幾何穩(wěn)焰結(jié)構(gòu)，從而避免高熱流問題[16-19]。然而微波產(chǎn)生等離子體需要利用天線集中能量，在燃燒室放置尖銳的凸起物不夠現(xiàn)實(shí)，若單靠微波電場(chǎng)助燃，效果不夠理想。所以需要一種新的能夠大面積產(chǎn)生等離子體且容易實(shí)現(xiàn)的助燃方式。

雙脈沖激光是產(chǎn)生等離子體的一種方式，第一次激光脈沖產(chǎn)生等離子體，第二次脈沖增強(qiáng)。但對(duì)于這種方式，激光束幾何形狀起到了關(guān)鍵作用，且需要較高的能量密度和控制精度[20]，造價(jià)非常高，并且產(chǎn)生的等離子體擴(kuò)展區(qū)域非常有限。Michael等[21]利用微波增強(qiáng)激光等離子體并給出了動(dòng)力學(xué)特征，表明微波對(duì)等離子體具有擴(kuò)展作用，能夠產(chǎn)生大面積的等離子體。Ikeda等[22-23]開發(fā)了一種微波增強(qiáng)火花放電的等離子體產(chǎn)生方法，微波使火花等離子體產(chǎn)生了大范圍的擴(kuò)展。Elsabbagh等[24]研究認(rèn)為，微波對(duì)等離子體中激發(fā)的N2轉(zhuǎn)動(dòng)溫度具有增強(qiáng)作用，并且顯著增大等離子體中離子基數(shù)量。目前微波增強(qiáng)火花放電等離子體點(diǎn)火方式在內(nèi)燃機(jī)中已經(jīng)有大量研究，包括增強(qiáng)點(diǎn)火和多點(diǎn)點(diǎn)火等[2]。而在超燃中，關(guān)于微波增強(qiáng)等離子體點(diǎn)火或助燃的研究較少，尤其在國(guó)內(nèi)少有研究。

微波增強(qiáng)等離子體需要兩部分結(jié)構(gòu)，一是產(chǎn)生等離子體的源，二是微波。滑移電弧等離子體是由電弧經(jīng)氣流等作用擴(kuò)展拉長(zhǎng)，電弧起始位置熱效應(yīng)明顯，隨電弧拉長(zhǎng)出現(xiàn)非平衡反應(yīng)區(qū)域，因此滑移電弧的助燃作用同時(shí)具有平衡和非平衡特點(diǎn)[25]，相對(duì)于火花放電和激光等離子體具有范圍更大的優(yōu)勢(shì)，且容易實(shí)現(xiàn)。因此本文將利用微波增強(qiáng)滑移電弧等離子體輔助燃燒的方法，采用火焰觀測(cè)等測(cè)量手段，期望驗(yàn)證一種較單一等離子體助燃更為有效的助燃方式。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所直連式變馬赫數(shù)超聲速燃燒實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)臺(tái)由氣源、加熱器、發(fā)動(dòng)機(jī)模型和控制系統(tǒng)等組成。加熱器通過氣源供氣，由燒氫補(bǔ)氧的方法產(chǎn)生高溫高壓氣體，經(jīng)噴管加速達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求的馬赫數(shù)。

實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)模型采用矩形橫截面結(jié)構(gòu)，單面擴(kuò)張，擴(kuò)張角為2°，隔離段入口高度為40 mm，寬度為80 mm。穩(wěn)焰模式采用單級(jí)凹腔，在凹腔對(duì)面利用W430波導(dǎo)和角錐喇叭天線饋入2.45 GHz的微波，模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。燃燒室內(nèi)共布置兩套電極，位于凹腔前部，如圖2所示。電極由高壓電源供電，電源最大電壓為10 kV，電流為1 A，電源與電極之間分別加裝15 kΩ的保護(hù)電阻。微波場(chǎng)強(qiáng)在凹腔中的分布計(jì)算結(jié)果在之前的研究中[26]已有介紹。

圖1 微波和滑移電弧設(shè)備配置示意圖與發(fā)動(dòng)機(jī)模型

壁面靜壓測(cè)點(diǎn)布置在發(fā)動(dòng)機(jī)模型上壁面，間距為30 mm。通過內(nèi)徑為1 mm的測(cè)壓導(dǎo)管連接到壓力模塊上，壓力模塊的測(cè)壓量程為0～690 kPa。壓力信號(hào)通過PSI公司的DTC Initium 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集，采樣頻率約為637 Hz。在圖2中測(cè)點(diǎn)CH02和CH03位置布置高頻壓力測(cè)點(diǎn)，采用KULITE XTEL傳感器，采樣頻率為100 kHz。

圖2 電極和凹腔模型

在碳?xì)淙剂匣鹧娴臏y(cè)量中，CH*自發(fā)光主要生成位置處于火焰鋒面區(qū)域。CH*由激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時(shí)會(huì)發(fā)射431 nm波長(zhǎng)的光線，CH*自發(fā)光強(qiáng)度代表該基團(tuán)的濃度。通過加了濾光片的高速相機(jī)直接對(duì)火焰進(jìn)行拍攝，即可捕捉到431 nm波段的圖像，即CH*在燃燒區(qū)域的發(fā)光強(qiáng)度。濾光片的通過波長(zhǎng)為430±15 nm，峰值透過率為0.882。實(shí)驗(yàn)中使用的高速相機(jī)由PHANTOM公司生產(chǎn)，型號(hào)為v1612，最大可用分辨率為1 280 pixel×800 pixel。實(shí)驗(yàn)拍攝曝光時(shí)間為10 μs，幀率為20～60 kHz，實(shí)際使用像素為512 pixel×256 pixel。

燃燒室入口來流馬赫數(shù)為2.5，總溫為1 249 K，總壓為1.55 MPa，總流量為1.77 kg/s。

實(shí)驗(yàn)時(shí)序如圖3所示，文中所提及時(shí)序以此為參照標(biāo)準(zhǔn)。在2 s之前所有實(shí)驗(yàn)及采集設(shè)備趨于穩(wěn)定，2～4 s為正式實(shí)驗(yàn)時(shí)間段。微波功率和滑移電弧參數(shù)如表1所示，表中Φ為當(dāng)量比，本文實(shí)驗(yàn)分為實(shí)驗(yàn)組B組(Case B1、Case B2、Case B3)和對(duì)照組A組(Case A1，Case A3，Case A4，Case A5)。

圖3 實(shí)驗(yàn)時(shí)間順序

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 滑移電弧在超聲速氣流中的放電特征

當(dāng)電壓作用于電極上時(shí)，首先兩電極相隔最近的位置被擊穿形成電弧，接著由于氣流的作用，電弧會(huì)沿著電極滑移并拉長(zhǎng)，形成滑移電弧。當(dāng)電流不能夠支持電弧的長(zhǎng)度時(shí)，電弧斷裂，并同時(shí)在起始位置重新形成電弧，如此周期往復(fù)。并且由于電弧的長(zhǎng)度變化改變了電弧電阻，因此電極兩端表現(xiàn)出電壓的周期規(guī)律。在超聲速氣流中，如圖2所示，流動(dòng)方向自左向右，滑移電弧起始位置在左側(cè)，隨氣流擴(kuò)展，當(dāng)電流不能支持電弧長(zhǎng)度的時(shí)候斷裂，同時(shí)在電極左側(cè)重新形成電弧。圖4給出了電極兩端電壓和電流的周期特征，電壓的高點(diǎn)和低點(diǎn)分別代表電弧生成和擴(kuò)展，電流則與電壓趨勢(shì)相反。電壓周期約為8 μs，頻率約為125 kHz。經(jīng)計(jì)算電弧平均功率約為102.8 W，最大瞬時(shí)功率為3 934.9 W，最小為0 W。

圖4 滑移電弧電壓和電流的周期特征

2.2 等離子體對(duì)超燃發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壓力特征的影響

為進(jìn)一步節(jié)約能量，實(shí)驗(yàn)采用脈沖微波，因此實(shí)驗(yàn)首先在已有研究的基礎(chǔ)上研究了脈沖微波對(duì)火焰的影響，并研究了單純的滑移電弧對(duì)火焰的影響，進(jìn)行了對(duì)照組A組實(shí)驗(yàn)，分別為Case A1、Case A3、Case A4、Case A5這4種工況。

實(shí)驗(yàn)首先研究了凹腔后緣測(cè)點(diǎn)CH03位置的壓力結(jié)果，如圖5所示。可以發(fā)現(xiàn)在脈沖微波峰值功率為1 kW、占空比為10%、平均功率為100 W的工況下壓力抬升時(shí)刻較700 W連續(xù)微波的工況靠后，而只加入電弧的火焰并沒有引起壓力抬升，壓力曲線與沒有等離子體工況的曲線重合。從火焰穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的變化[26]分析可知，是在微波加入后才使得燃燒室火焰分布發(fā)生改變，即火焰由凹腔剪切層位置轉(zhuǎn)換為射流和剪切層同時(shí)存在位置，轉(zhuǎn)換時(shí)刻即壓力迅速抬升處。在當(dāng)量比為0.15的條件下，CH03處壓力沒有變化也就是沒有引起火焰燃燒結(jié)構(gòu)的變化。因此通過實(shí)驗(yàn)得到了單獨(dú)使用滑移電弧或微波對(duì)火焰的影響結(jié)果：滑移電弧由于功率相對(duì)燃燒功率過小，沒有對(duì)火焰起到有效作用，而脈沖微波對(duì)火焰分布及其轉(zhuǎn)換有作用；且相對(duì)于連續(xù)微波，脈沖微波條件下壓力抬升位置靠后，由于壓力抬升位置與微波功率相關(guān)[26]，因此表明脈沖微波的作用較弱。

圖5 Φ=0.15時(shí)不同工況下CH03位置的壓力

Case B1同時(shí)開啟微波(峰值功率為1 kW，平均功率為100 W)和滑移電弧(電壓為8 kV)，得到圖6所示壓力。在同時(shí)開啟平均功率為100 W的微波和滑移電弧之后，其壓力特征與單純加入足夠功率的微波相似，只是壓力在初始穩(wěn)定時(shí)刻就已經(jīng)保持在較高位置。壓力的抬升與火焰和釋熱息息相關(guān)，在僅加入微波的條件下，壓力抬升位置與微波功率相關(guān)，功率大則壓力抬升靠前，但僅開啟滑移電弧不能使壓力抬升。而微波和滑移電弧的共同作用使壓力在初始穩(wěn)定時(shí)刻就達(dá)到了高位，說明二者的共同作用起到了更顯著的助燃效果。

圖6 Φ=0.15時(shí)同時(shí)開啟微波和滑移電弧后CH03位置的壓力

圖7 Φ=0.18時(shí)CH02位置的壓力

將當(dāng)量比提高至0.18進(jìn)行Case B2和Case B3實(shí)驗(yàn)，關(guān)注測(cè)點(diǎn)CH02位置的壓力，結(jié)果如圖7所示。在加入等離子體之后，燃燒預(yù)燃激波串前移，跨過壓力測(cè)點(diǎn)，從而使該位置壓力上升。從圖中可以看到在沒有等離子體的工況壓力高點(diǎn)也能夠跨過測(cè)點(diǎn)，但不能夠穩(wěn)定；加了等離子體的工況也會(huì)出現(xiàn)壓力高點(diǎn)在測(cè)點(diǎn)下游的情況。總體上壓力在測(cè)點(diǎn)前后來回振蕩，等離子體的加入使火焰更容易穩(wěn)定在測(cè)點(diǎn)上游。

同樣，考察測(cè)點(diǎn)CH03處壓力，發(fā)現(xiàn)此時(shí)在有和無等離子體的情況凹腔后緣壓力并沒有差別，如圖8所示。圖9給出了當(dāng)量比為0.15時(shí)加入等離子體前后燃燒室沿程壓力(實(shí)驗(yàn)時(shí)段平均值)的對(duì)比，結(jié)合圖9分析可知，等離子體造成的壓力變化表現(xiàn)在射流位置和凹腔中部位置，而在凹腔后緣并沒有明顯的差異，測(cè)點(diǎn)CH03恰好處于壓力表現(xiàn)相近的位置。

圖8 Φ=0.18時(shí)CH03位置的壓力

局部壓力升高是由燃燒釋熱區(qū)域變化引起的，而釋熱變化必然會(huì)引起燃燒室壓力分布的變化。圖10給出了當(dāng)量比為0.18時(shí)加入等離子體前后燃燒室沿程壓力(實(shí)驗(yàn)時(shí)段平均值)的對(duì)比。當(dāng)量比為0.15時(shí)，在加入微波電弧之后壓力升高，燃燒室起始?jí)荷c(diǎn)更靠前。同樣，在當(dāng)量比為0.18的工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)壓力更為均勻，燃燒室壓升點(diǎn)提前。壓力分布與來流狀態(tài)、燃料噴射壓力、燃燒室結(jié)構(gòu)以及燃料特性有關(guān)，在本實(shí)驗(yàn)中以上所述條件均沒有改變，所以等離子體的加入改變了燃料的燃燒特性。在射流前端加入滑移電弧等離子體產(chǎn)生的自由基誘導(dǎo)火焰更容易在射流前的回流區(qū)形成穩(wěn)焰，從而使燃燒室預(yù)燃激波串前移。

圖9 Φ=0.15燃燒室沿程壓力

圖10 Φ=0.18時(shí)燃燒室沿程壓力

2.3 等離子體對(duì)平均火焰結(jié)構(gòu)特征的影響

壓力變化的直接原因之一是火焰結(jié)構(gòu)的改變。對(duì)每個(gè)工況提取100幅圖像進(jìn)行灰度平均，得到圖11和圖12左側(cè)灰度圖像，經(jīng)過偽彩處理得到右側(cè)偽彩圖。歸一化的CH*發(fā)光強(qiáng)度、壓力分布和熱流損失共同決定燃燒釋熱分布，且釋熱強(qiáng)度與CH*強(qiáng)度成正比[27]。

圖11 Φ=0.15時(shí)火焰CH*平均圖像

圖12 Φ=0.18時(shí)火焰CH*平均圖像

圖11給出了當(dāng)量比為0.15時(shí)兩種火焰結(jié)構(gòu)的平均圖像?；鹧鎱^(qū)域可以根據(jù)凹腔剪切層大致分布分為2個(gè)燃燒區(qū)域，2個(gè)工況采用幾何一致的劃分：凹腔剪切層主燃區(qū)(白色點(diǎn)劃線下側(cè))和剪切層上側(cè)射流穩(wěn)焰區(qū)(白色點(diǎn)劃線上側(cè))。從CH*的發(fā)光強(qiáng)度對(duì)比可以看到，無等離子體條件下，凹腔穩(wěn)焰區(qū)域燃燒強(qiáng)度大于射流穩(wěn)焰區(qū)域，兩部分相互交叉融合。在加入等離子體之后，火焰高強(qiáng)度區(qū)完全由凹腔穩(wěn)焰區(qū)域轉(zhuǎn)移到了射流穩(wěn)焰區(qū)域，并且火焰前鋒面向前端延伸。火焰整體釋熱區(qū)域變大，強(qiáng)釋熱區(qū)核心變小并集中在射流穩(wěn)焰區(qū)域，造成該區(qū)域壁面壓力上升。

同樣，在當(dāng)量比為0.18的工況下，等離子體的加入使火焰結(jié)構(gòu)發(fā)生巨大變化，如圖12所示。在加入等離子體之前火焰穩(wěn)定在兩個(gè)區(qū)域，如圖中黃色和紅色橢圓標(biāo)記。黃色標(biāo)記可以認(rèn)為是射流形成的穩(wěn)焰區(qū)域，紅色標(biāo)記認(rèn)為是由凹腔穩(wěn)定火焰形成的穩(wěn)焰區(qū)域。在加入等離子體之后，兩個(gè)區(qū)域重組，黃色區(qū)域向前收縮，射流穩(wěn)焰區(qū)幾乎全部轉(zhuǎn)移到射流前的回流區(qū)，凹腔剪切層火焰上移。

在超聲速氣流中，滑移電弧產(chǎn)生等離子體，并由微波的作用而擴(kuò)展，隨超聲速氣流向下游流動(dòng)并遇到燃料射流，從而產(chǎn)生相互作用。圖13給出了等離子體在超聲速燃燒中與火焰的相互作用示意圖。首先微波的加入使滑移電弧產(chǎn)生的等離子體擴(kuò)展，使離子基轉(zhuǎn)動(dòng)溫度和密度增加。然后等離子體中的自由基團(tuán)或激發(fā)態(tài)的分子，如N2、CN、O等，作用于燃料分子，又由于火焰也是一種等離子體，電弧等離子體與火焰相互作用，加快反應(yīng)速率，從而使火焰能夠存在于射流前的回流區(qū)，燃燒室反壓前推。而在剪切層火焰位置，該區(qū)域是微波諧振的位置，電磁場(chǎng)能量最高，微波電磁場(chǎng)能夠有效增強(qiáng)火焰內(nèi)自由基(OH、CO)活性和數(shù)量[28]，因此對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率具有有效作用，增強(qiáng)火焰穩(wěn)定性。

正因?yàn)槿绱?，在加入等離子體之后，在凹腔位置微波穩(wěn)定了該區(qū)域的火焰，將該處壓力前推，從而射流穩(wěn)焰區(qū)域向前發(fā)展，又由于自由基的作用，化學(xué)反應(yīng)速率加快，從而形成了圖12所示的火焰結(jié)構(gòu)。

圖13 等離子體與火焰相互作用示意圖

3 結(jié) 論

1) 與單一的微波或滑移電弧等離子體增強(qiáng)燃燒方法比較，微波與滑移電弧的結(jié)合可在較低的能耗下，實(shí)現(xiàn)與高功率微波等效的效果。

2) 從加入與未加入微波與滑移電弧的火焰結(jié)構(gòu)變化結(jié)果可以認(rèn)為，由于火焰在射流位置更容易穩(wěn)定，火焰在燃燒室整體位置前移，表明火焰的燃燒速率提高了。

3) 微波與等離子體的相互作用及其對(duì)火焰的增強(qiáng)機(jī)理十分復(fù)雜，既包括等離子體的作用，又包括微波的作用，但從機(jī)理上主要還是活性離子及其在微波場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)、增能以及化學(xué)反應(yīng)過程，只是因?yàn)槲⒉ǖ募尤胧沟眠\(yùn)動(dòng)和能量變化更為復(fù)雜，同時(shí)微波對(duì)離子能量的提升過程機(jī)理目前還不明確。

目前的研究?jī)H僅是探索開始，本研究結(jié)果表明了新型助燃方式的前景和研究?jī)r(jià)值。

致 謝

感謝實(shí)驗(yàn)過程中各實(shí)驗(yàn)人員的幫助與支持。