鐘富宇, 樂(lè)嘉陵, 田 野, 岳茂雄

中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 綿陽(yáng) 621000

0 引 言

吸氣式高超聲速飛行器是實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)快速遠(yuǎn)程民用運(yùn)輸、可突防遠(yuǎn)程快速打擊以及近地軌道空間運(yùn)輸?shù)鹊闹匾d體[1]。超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)是這類飛行器最具推廣意義的推進(jìn)裝置，尤其是在馬赫數(shù)大于5.0時(shí)具有非常廣闊的應(yīng)用前景。超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的可靠點(diǎn)火和穩(wěn)定燃燒過(guò)程一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。在超聲速燃燒過(guò)程中，對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和火焰發(fā)展變化過(guò)程的研究能夠加深對(duì)點(diǎn)火和燃燒機(jī)理的認(rèn)識(shí)，需要采用多種非接觸式燃燒流場(chǎng)診斷技術(shù)對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)，以達(dá)到多種測(cè)量結(jié)果相互補(bǔ)充和印證的目的。

田野等[2]通過(guò)試驗(yàn)研究了不同當(dāng)量比的氫燃料對(duì)燃燒模態(tài)和燃燒流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響，采用了多種非接觸光學(xué)測(cè)量方法進(jìn)行同步測(cè)量，結(jié)果表明:當(dāng)量比大于0.17時(shí)，燃燒流場(chǎng)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，火焰分布呈現(xiàn)破碎狀,火焰在燃燒室上下壁面之間來(lái)回傳播；當(dāng)量比小于或等于0.17時(shí)，燃燒流場(chǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，火焰呈現(xiàn)連續(xù)分布，火焰穩(wěn)定分布于凹槽下部剪切層內(nèi)。吳戈等[3]綜合利用OH-PLIF及CH-PLIF研究了乙烯燃料在凹腔流動(dòng)的幾個(gè)截面火焰結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明：當(dāng)量比較低時(shí)，燃燒的火焰反應(yīng)區(qū)主要在凹腔中，OH沿中心軸對(duì)稱分布，當(dāng)量比較高時(shí)OH主要沿燃燒室兩側(cè)壁分布；CH-PLIF的結(jié)果顯示放熱區(qū)呈現(xiàn)高度褶皺的破碎狀，放熱區(qū)分布范圍比反應(yīng)區(qū)更窄。Ruan等[4]在基于凹腔的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室構(gòu)型中進(jìn)行了反應(yīng)流和無(wú)反應(yīng)流的試驗(yàn)，結(jié)果表明：燃燒首先在擴(kuò)散火焰控制下進(jìn)行，然后是充分混合后的高效率燃燒，在凹腔內(nèi)也出現(xiàn)了明顯的擴(kuò)散火焰控制燃燒現(xiàn)象。Gordon和Mastorakos[5-7]研究了不同來(lái)流條件下的點(diǎn)火和火焰穩(wěn)定，發(fā)現(xiàn)火焰穩(wěn)定性對(duì)來(lái)流溫度和速度很敏感，高總焓的來(lái)流條件有利于燃料的自點(diǎn)火和火焰穩(wěn)定。張灣洲等[8]采用試驗(yàn)方法研究了飛行馬赫數(shù)Ma=4.0、總溫935 K來(lái)流參數(shù)下的超燃發(fā)動(dòng)機(jī)乙烯點(diǎn)火試驗(yàn)，結(jié)果表明：回流區(qū)有利于點(diǎn)火，剪切層和凹槽后部是穩(wěn)焰的主要區(qū)域；點(diǎn)火成功后，剪切層內(nèi)和凹槽后部持續(xù)卷吸氧化劑，能夠維持穩(wěn)定的燃燒。Brieschenk等[9-10]對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)激光誘導(dǎo)等離子體(LIP)點(diǎn)火行為進(jìn)行了試驗(yàn)研究，采用OH-PLIF表征等離子點(diǎn)火區(qū)域的演變過(guò)程，結(jié)果表明高超聲速流動(dòng)中等離子點(diǎn)火可以促進(jìn)羥基的形成。Kumaran等[11]用數(shù)值方法研究了化學(xué)模型對(duì)超聲速燃燒的影響，計(jì)算結(jié)果表明，多步化學(xué)反應(yīng)預(yù)測(cè)比單步化學(xué)反應(yīng)預(yù)測(cè)的釋熱量更高、釋熱區(qū)域更大，多步化學(xué)預(yù)測(cè)的燃燒過(guò)程更詳細(xì)、更復(fù)雜。Nakaya等[12]采用試驗(yàn)方法研究了正十二烷中各組分對(duì)點(diǎn)火和燃燒的影響，發(fā)現(xiàn)在所有的超聲速燃燒情況下，點(diǎn)火均是在擴(kuò)張截面處的邊界層中發(fā)生，火焰向上游傳播最終穩(wěn)定在凹腔內(nèi)，基于壓力和OH基的熒光發(fā)現(xiàn)了2種燃燒模式：射流尾跡穩(wěn)定模式和凹腔火焰穩(wěn)定模式。

何粲等[13]對(duì)一種乙烯燃料矩形截面超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了該模型在不同燃燒模態(tài)下的流動(dòng)特性，與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，其結(jié)果表明：發(fā)動(dòng)機(jī)處于雙模態(tài)超燃或雙模態(tài)亞燃模態(tài)時(shí)，隨著激波串結(jié)構(gòu)的形成與前移，部分燃燒可能在隔離段內(nèi)完成；而對(duì)于純超燃模態(tài)，燃燒僅發(fā)生在凹槽與擴(kuò)張段內(nèi)，化學(xué)反應(yīng)與高溫區(qū)的分布相對(duì)更集中。Qin等[14]研究了沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的火焰穩(wěn)定性，結(jié)果表明：新型支板尾部產(chǎn)生的激波會(huì)形成高溫高壓區(qū)域有助于燃燒，但也不可避免地帶來(lái)了總壓損失，激波只影響到支板的附近區(qū)域。F?rster等[15]對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)超聲速和雙模態(tài)燃燒的現(xiàn)象進(jìn)行了試驗(yàn)研究，他們發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)區(qū)，火焰結(jié)構(gòu)和局部激波形態(tài)不同，不能僅通過(guò)評(píng)估靜壁壓力分布來(lái)區(qū)分燃燒模態(tài)。An等[16]對(duì)超聲速燃燒室激光點(diǎn)火和火花塞放電點(diǎn)火進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，火花塞放電點(diǎn)火的點(diǎn)火過(guò)程明顯慢于激光點(diǎn)火。

綜上所述，此前研究者已經(jīng)采用不同的方法對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的點(diǎn)火和火焰穩(wěn)定進(jìn)行了研究，本文則采用多種非接觸式光學(xué)測(cè)量手段瞬時(shí)同步測(cè)量并詳細(xì)研究流場(chǎng)和火焰結(jié)構(gòu)整個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程，獲得了詳細(xì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可為L(zhǎng)ES的大渦模擬計(jì)算提供驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)及測(cè)量方法介紹

1.1 試驗(yàn)設(shè)備和發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)型

本文的試驗(yàn)研究工作在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心(CARDC)的直連式超聲速脈沖燃燒風(fēng)洞(如圖1所示)上開(kāi)展。該風(fēng)洞在之前的研究工作中[17-20]已經(jīng)有所介紹。試驗(yàn)中，富氧空氣與氫氣在加熱器中混合燃燒，以產(chǎn)生高焓來(lái)流，流量為2.68 kg/s，總壓pt=0.82 MPa，總溫Tt=950 K。O2、H2O和N2的摩爾分?jǐn)?shù)分別為21%、12%和67%。來(lái)流氣體通過(guò)二維噴管加速到Ma=2.0。

圖1 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心直連式脈沖燃燒風(fēng)洞Fig. 1 Direct-connected pulse combustion wind tunnel of CARDC

如圖2所示，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)模型由長(zhǎng)300 mm的隔離段和長(zhǎng)773 mm的燃燒室組成。隔離段由長(zhǎng)220 mm的等直段和長(zhǎng)80 mm的擴(kuò)張段組成，該擴(kuò)張段的擴(kuò)張角為1.4°，入口截面為30 mm×150 mm的矩形。凹腔深度11 mm,長(zhǎng)121 mm(后斜坡角為21.1°，腔內(nèi)帶有1.4°的發(fā)散角)，在凹腔內(nèi)，距臺(tái)階下游71 mm處設(shè)有壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用于監(jiān)測(cè)燃燒狀態(tài)(圖2中Pressure monitor所示位置)。凹腔下游為擴(kuò)張段，擴(kuò)張段分為4小段：第一段長(zhǎng)102.5 mm，帶有1.4°擴(kuò)張角；第二段長(zhǎng)145 mm，帶有2.0°擴(kuò)張角；第三段長(zhǎng)141.5 mm，帶有8.0°的擴(kuò)張角；最后一段長(zhǎng)263.0 mm，帶有15.0°的擴(kuò)張角。2個(gè)火花塞位于凹腔臺(tái)階下游75 mm處，用于點(diǎn)燃先鋒氫。先鋒氫通過(guò)15個(gè)直徑為1.0 mm的圓孔噴注進(jìn)入燃燒室，噴孔展向均布于凹腔臺(tái)階上游10 mm處。常溫乙烯通過(guò)直徑1.0 mm的10個(gè)圓孔從凹腔臺(tái)階下游25 mm處噴注進(jìn)入燃燒室，進(jìn)入后被先鋒氫火焰引燃。先鋒氫的當(dāng)量比約為0.33，乙烯的當(dāng)量比約為0.10。

圖2 超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流道型面及燃燒室示意圖Fig. 2 Geometry of internal flow passage and the schematic diagram of a scramjet combustor

設(shè)備運(yùn)行的有效試驗(yàn)時(shí)間約為440 ms，試驗(yàn)操作時(shí)序如表1所示。為方便描述時(shí)序，將先鋒氫噴注進(jìn)入燃燒室的時(shí)刻記為t=0，在t=-32.0 ms時(shí)冷流流場(chǎng)建立穩(wěn)定?；鸹ㄈぷ髁?次，第一次是在t=27.0 ms時(shí)，隨后先鋒氫被成功點(diǎn)燃。乙烯在t=100.0 ms時(shí)噴注進(jìn)入燃燒室，隨后被先鋒氫火焰引燃。第二次是在t=207.0 ms時(shí)，先鋒氫停止噴注，乙烯繼續(xù)燃燒一段時(shí)間，在t=308.0 ms停止噴注乙烯。

表1 試驗(yàn)操作時(shí)序Table 1 Experimental operation sequence

1.2 測(cè)量方法

試驗(yàn)采用壁面壓力測(cè)量、紋影、CH自發(fā)光、火焰自發(fā)光和OH-PLIF等非接觸式光學(xué)測(cè)量手段來(lái)顯示流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和火焰發(fā)展過(guò)程。紋影拍攝的曝光時(shí)間設(shè)置為4.62 μs，拍攝幀率為10 000 幀/s。CH自發(fā)光和火焰自發(fā)光拍攝幀率都設(shè)置為5000 幀/s，曝光時(shí)間均為0.2 ms。CH自發(fā)光可用于標(biāo)記乙烯反應(yīng)區(qū)。燃燒室上壁面布置了一系列壓力傳感器，用于記錄燃燒室的沿程壁面壓力。壓力傳感器(量程0～700 kPa)的靈敏度為1%。采用平面激光誘導(dǎo)熒光法(PLIF)得到火焰點(diǎn)火后的OH*分布情況，它可以用來(lái)表征燃燒存在的區(qū)域和火焰的位置信息，并為其提供一個(gè)定性指標(biāo)。OH-PLIF系統(tǒng)的激光器采用哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的高重頻大能量Nd:YAG固體激光器，激光重復(fù)頻率為500 Hz，單脈沖激光能量30 mJ@532 nm，532 nm激光經(jīng)泵浦染料激光器倍頻輸出283.553 nm激光，單脈沖能量為1.6 mJ，此波段激發(fā)光具有較低的溫度敏感性。光路系統(tǒng)及相關(guān)測(cè)試方法在我們之前的工作中[2]已經(jīng)進(jìn)行過(guò)詳細(xì)的說(shuō)明。

2 結(jié)果討論

2.1 整個(gè)燃燒過(guò)程討論

在整個(gè)燃燒過(guò)程中,監(jiān)測(cè)點(diǎn)(位于凹腔臺(tái)階下游71 mm處，圖2中Preesure monitor所示位置)隨時(shí)間變化的壓力曲線如圖3所示。圖中還給出了先鋒氫和乙烯的噴前壓力信號(hào)，用于標(biāo)記氫氣和乙烯的噴注時(shí)間，并結(jié)合監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力變化標(biāo)示出各階段的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

圖3 燃料(氫氣、乙烯)、加熱器和監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力隨時(shí)間的變化Fig. 3 Pressure of fuel (hydrogen, ethylene), heater and monitor point variation over time

火花塞共工作了2次，分別是在t=27.0 ms和127.0 ms時(shí)。工作2次是為了保證點(diǎn)火的效果，當(dāng)出現(xiàn)第一次點(diǎn)火失敗的情況，2種燃料混合后再進(jìn)行一次點(diǎn)火，可以確保燃料被引燃。若第一次點(diǎn)火成功，則第二次點(diǎn)火對(duì)燃燒過(guò)程和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)有影響。由于火花塞放電的干擾，先鋒氫和乙烯的噴前壓力曲線上產(chǎn)生了2個(gè)較大峰值的干擾信號(hào)，可以用來(lái)標(biāo)記點(diǎn)火時(shí)刻。當(dāng)先鋒氫開(kāi)始注入燃燒室時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力在t=0時(shí)開(kāi)始緩慢上升，然后保持穩(wěn)定，直到t=27.0 ms時(shí)先鋒氫被火花塞成功點(diǎn)燃，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力才突然上升。此時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力值p達(dá)到了較高水平，約為0.31 MPa，說(shuō)明先鋒氫點(diǎn)火成功。與此同時(shí)，可以看到乙烯的噴前壓力也略有上升，這是由于氫氣燃燒產(chǎn)生的壓升影響到了乙烯的噴前壓力所致。在t=100.0 ms時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力繼續(xù)升高，這是因?yàn)橐蚁﹪娮⑦M(jìn)入燃燒室，立刻被先鋒氫成功引燃并和先鋒氫共同燃燒,此時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力p在整個(gè)燃燒過(guò)程中達(dá)到最高水平，約為0.35 MPa?；旌先紵^(guò)程中監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力略有下降，原因是乙烯剛開(kāi)始噴注產(chǎn)生的過(guò)沖現(xiàn)象在穩(wěn)定后被緩和。在t=207.0 ms時(shí)，先鋒氫停止噴注，監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力大幅度下降，降至略高于無(wú)反應(yīng)流的水平。此時(shí)雖然先鋒氫已停止噴注，但乙烯依舊能夠穩(wěn)定燃燒。t=308.0 ms時(shí)，乙烯停止噴注，火焰才逐漸熄滅。雖然控制噴注乙烯的電磁閥關(guān)閉了，但在噴注孔和電磁閥之間存在一段長(zhǎng)度約400 mm、通徑為6 mm的金屬軟管，其中尚有余氣，從圖中可以看到，軟管中的乙烯完全排放干凈需要大約40.0 ms。

綜上所述，整個(gè)燃燒過(guò)程可分為6個(gè)階段，如表2和圖3所示。第一階段為先鋒氫噴注進(jìn)入燃燒室之前的無(wú)反應(yīng)流，時(shí)間為t=-32.0～0 ms(Part 1)；第二階段為先鋒氫開(kāi)始噴注后直到火花塞工作以前，用于顯示氫氣噴注時(shí)的流動(dòng)特性，時(shí)間為t=0～27.0 ms(Part 2)；第三階段用于描述氫氣的燃燒過(guò)程，包括點(diǎn)火和火焰穩(wěn)定，時(shí)間為t=27.0～100.0 ms(Part 3)；第四階段為氫氣和乙烯共同燃燒的過(guò)程，此時(shí)燃燒最劇烈，時(shí)間為t=100.0～207.0 ms(Part 4)；第五階段闡述了乙烯的燃燒特性，當(dāng)先鋒氫停止噴注后，乙烯能夠繼續(xù)穩(wěn)定燃燒，時(shí)間為t=207.0～308.0 ms(Part 5)；第六階段是乙烯火焰熄滅過(guò)程直到試驗(yàn)結(jié)束，時(shí)間為t=308.0～398.0 ms(Part 6)。

表2 試驗(yàn)過(guò)程的描述Table 2 Description of the test process

第一至第五階段的時(shí)均沿程壁面壓力分布和發(fā)動(dòng)機(jī)流道擴(kuò)張面積曲線如圖4所示。因第六階段的沿程壁面壓力和第一階段差別不大，故沒(méi)有在圖中展示。雖然第三和第四階段的壁面壓力比其他幾個(gè)階段大得多，但這2個(gè)階段之間的差異并不大，反壓擾動(dòng)的距離均約為0.2 m (圖4中x=0.1 m處)，這是因?yàn)橄蠕h氫的當(dāng)量比(0.33)比乙烯的當(dāng)量比(0.10)大很多，在混合燃燒過(guò)程中，相對(duì)較少的乙烯在噴注進(jìn)入燃燒室后造成的反壓增加效果相對(duì)不明顯。

圖4 各階段上壁面中心線時(shí)均沿程壓力分布Fig. 4 The average pressure distribution on the centre line of the stages

第一、第二和第五階段的主要區(qū)別在凹腔部分，這是因?yàn)?個(gè)階段的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)不同，下文會(huì)作詳細(xì)分析。通過(guò)對(duì)比沿程壁面壓力，給出了不同階段壓力大小的排序。壓力從小到大依次是：第一階段、第二階段、第五階段、第三階段和第四階段。由于第六階段乙烯熄滅后的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和第一階段相同，故不再敘述。

2.2 第一和第二階段的燃燒過(guò)程討論

圖5為第一階段的試驗(yàn)紋影照片和數(shù)值模擬流線圖。第一階段為無(wú)反應(yīng)流動(dòng)，超聲速氣流經(jīng)隔離段進(jìn)入凹腔后，在前臺(tái)階的剪切層(A)以及凹腔內(nèi)的低速區(qū)兩者共同作用下，產(chǎn)生了一道斜激波(B)，這道斜激波在下壁面反射，并與邊界層相互作用，產(chǎn)生了一個(gè)分離區(qū)(E)。高速氣流通過(guò)分離區(qū)產(chǎn)生一道分離激波(C)，并與斜激波(B)相互作用。同時(shí)，在凹腔前部和后部會(huì)產(chǎn)生2個(gè)回流區(qū)(D、F)。

流場(chǎng)結(jié)構(gòu)周期性振蕩，本文條件下振蕩頻率約為400 Hz，流動(dòng)振蕩主要是凹腔造成的。在一個(gè)振蕩周期內(nèi)(2.5 ms)，分離激波(C)后高壓使得激波向上游運(yùn)動(dòng)，此時(shí)激波上行。當(dāng)激波繼續(xù)上行至凹腔后部斜坡時(shí)，波后的高壓與凹腔內(nèi)的低速區(qū)域混合，壓力降低導(dǎo)致激波減弱，分離區(qū)(E)也同時(shí)減弱，凹腔內(nèi)低速區(qū)域擴(kuò)展，形成通道，入口速度恢復(fù)正常，此時(shí)激波下行。

圖5 第一階段凹腔內(nèi)的紋影圖和計(jì)算流線圖Fig. 5 The schlieren image and the streamline of cavity in the first stage

第二階段的試驗(yàn)紋影圖像如圖6所示，它描述了先鋒氫噴注的全過(guò)程。在t=0時(shí)，由于氫氣的噴入，產(chǎn)生了一道激波(F)，在t=0.3 ms時(shí)，可以看到它先是通過(guò)下壁面反射進(jìn)而與斜激波(B)相互作用，這是第二階段的監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力略高于第一階段的原因。與后3幅圖像相比，除了在t=20.0 ms時(shí)圖像中出現(xiàn)了一些水(H)以外，其余圖像的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)基本沒(méi)有發(fā)生變化。這是因?yàn)閬?lái)流中含有高溫水蒸氣，在經(jīng)過(guò)溫度較低的玻璃窗時(shí)凝結(jié)成了小水滴，并順著玻璃向下游流動(dòng)，此現(xiàn)象對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和燃燒過(guò)程幾乎沒(méi)有影響。

圖6 第二階段凹腔內(nèi)的紋影照片F(xiàn)ig. 6 Schlieren images of cavity in the second stage

2.3 第三階段的燃燒過(guò)程討論

本節(jié)討論先鋒氫的點(diǎn)火和火焰發(fā)展過(guò)程，并使用紋影圖像、火焰自發(fā)光圖像以及OH-PLIF圖像來(lái)更好地了解流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和火焰特性。如圖7所示，將點(diǎn)火過(guò)程定義為從火花塞開(kāi)始工作一直到壁面壓力達(dá)到恒定水平的過(guò)程，點(diǎn)火過(guò)程歷時(shí)約為26.0 ms(t=27.0～53.0 ms)。第三階段整個(gè)過(guò)程的紋影圖像如圖8所示，燃燒穩(wěn)定后流場(chǎng)結(jié)構(gòu)變化不大，而點(diǎn)火過(guò)程中的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)有很大變化?；鸹ㄈぷ鲿r(shí)(t=27.0 ms)，可以看到一束強(qiáng)光(H)。先鋒氫立刻被點(diǎn)燃，燃燒釋熱非常迅速，僅0.1 ms后，即t=27.1 ms時(shí)，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)便發(fā)生了很大變化。反射的激波(J)被壓縮到接近下壁面，在燃燒區(qū)之下(紅線以下)與下壁面之間來(lái)回反射。在t=27.2 ms時(shí)，因噴入氫氣而產(chǎn)生的激波(F)開(kāi)始被推入隔離段中，激波的形狀發(fā)生了較大的變化，燃燒變得更加強(qiáng)烈，在t=29.0 ms時(shí)產(chǎn)生了一道“X”型的激波串(K)。激波串頭部被推到隔離段出口上游0.04 m處僅用了2.0 ms(t=29.0 ～31.0 ms)，因此激波串的移動(dòng)速度約為20 m/s。由于燃燒產(chǎn)生的反壓不斷增大，激波串在隔離段中不斷向上游移動(dòng)，最終在t=39.0 ms時(shí)超出觀測(cè)范圍。對(duì)比后3幅圖像，在t=45.0 ms后，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，紋影圖像幾乎沒(méi)有變化。在t=85.0 ms時(shí)，可以看到紋影圖像中產(chǎn)生了一道非常接近于正激波的激波(U)，其后是一道斜激波(V)，表明在此階段的燃燒非常強(qiáng)烈。

圖7 第三階段氫氣點(diǎn)火過(guò)程Fig. 7 Hydrogen ignition process of the third stage

圖8 第三階段的紋影圖像Fig. 8 Schlieren images of the third stage

圖9為火焰的自發(fā)光圖像，用于顯示第三階段過(guò)程中的火焰分布及其發(fā)展過(guò)程。在t=27.0 ms時(shí)，可以看到一束非常亮的光，此時(shí)火花塞點(diǎn)燃先鋒氫。在t=29.0 ms時(shí)，火焰充滿整個(gè)凹腔，之后火焰區(qū)域繼續(xù)擴(kuò)大，直到t=31.0 ms時(shí)，火焰接觸到下壁面，而此時(shí)激波串也被推入隔離段內(nèi)。火焰沿著下壁面向上游傳播，來(lái)回振蕩并且不穩(wěn)定，當(dāng)t=45.0 ms時(shí)又被推到了下游。對(duì)比后2張圖可以發(fā)現(xiàn)，主燃燒區(qū)域還是在凹腔內(nèi)，火焰非常明亮。和紋影圖像對(duì)比來(lái)看，火焰形狀的變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的變化。

圖9 第三階段火焰自發(fā)光圖像Fig. 9 Flame luminosity images of the third stage

圖10為OH-PLIF圖像，用來(lái)描述化學(xué)反應(yīng)的主要區(qū)域。在t=27.0 ms時(shí)，火花塞首先點(diǎn)燃了火花塞周圍的氫氣，在火花塞附近可以看到OH自由基信號(hào)。在2.0 ms后，當(dāng)t=29.0 ms時(shí)，凹腔內(nèi)充滿了OH自由基信號(hào)。隨著時(shí)間的推移，OH自由基信號(hào)變化不大，主要分布在凹腔內(nèi)，穩(wěn)焰模式為凹腔回流區(qū)穩(wěn)定燃燒。

圖10 第三階段OH-PLIF圖像Fig. 10 OH-PLIF images of the third stage

2.4 第四階段的燃燒過(guò)程討論

本節(jié)介紹先鋒氫和乙烯在燃燒室中混合燃燒的特性。測(cè)量上增加了CH自發(fā)光圖像，用于標(biāo)記乙烯火焰的位置。第四階段的紋影圖像如圖11所示，在t=100.0 ms時(shí)，可以清楚地看到凹腔內(nèi)噴注乙烯所產(chǎn)生的噴射柱(L)。對(duì)比圖9中t=85.0 ms時(shí)的紋影圖像，在t=100.0 ms時(shí)凹腔內(nèi)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)變化不大。在此之后，燃燒變得更加強(qiáng)烈，激波串被推入隔離段內(nèi)，在t=200.0 ms時(shí)超出觀測(cè)范圍。

圖11 第四階段的紋影圖像Fig. 11 Schlieren images of the fourth stage

第四階段的火焰自發(fā)光圖像如圖12所示。在t=100.0 ms時(shí)，凹腔內(nèi)可見(jiàn)明顯的強(qiáng)光(S)，乙烯火焰為白色，氫氣火焰為黃色。對(duì)比接下來(lái)的3張圖片可以發(fā)現(xiàn)，乙烯在注入燃燒室后立刻被點(diǎn)燃，這是因?yàn)橄蠕h氫燃燒產(chǎn)生了較高的溫度和壓力，并且產(chǎn)生了一個(gè)低速區(qū)域，有利于乙烯燃燒。乙烯火焰存在于凹腔臺(tái)階下游附近的剪切層內(nèi)，穩(wěn)焰模式為凹腔剪切層穩(wěn)定燃燒。由于乙烯的當(dāng)量比遠(yuǎn)低于先鋒氫，因此穩(wěn)焰模式與先鋒氫(凹腔回流區(qū)穩(wěn)焰模式)有所不同。乙烯注入燃燒室后，2種氣體混合燃燒更加劇烈，火焰擾入隔離段。第四階段燃燒過(guò)程中CH自由基的自發(fā)光圖像如圖13所示。CH自由基是乙烯燃燒的中間產(chǎn)物，可以用來(lái)監(jiān)測(cè)乙烯燃料的燃燒效率。在t=100.0 ms時(shí)，凹腔內(nèi)可見(jiàn)少量CH自由基(R)，并沿凹腔剪切層向下游擴(kuò)散，最終火焰位于凹腔剪切層內(nèi)(S)，與t=100.0～200.0 ms時(shí)的火焰自發(fā)光圖像分析得出的結(jié)果一致。

圖12 第四階段的火焰自發(fā)光圖像Fig.12 Flame luminosity images of the fourth stage

圖13 第四階段的CH自發(fā)光圖像Fig. 13 CH luminosity images of the fourth stage

2.5 第五階段的燃燒過(guò)程討論

當(dāng)先鋒氫在t=207.0 ms停止噴注時(shí)，由于乙烯比先鋒氫的當(dāng)量比小很多，因此監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力突然下降?？梢钥闯?，在圖14中t=210.0 ms時(shí)，此前還在上游觀測(cè)范圍以外的激波串(M)回到了隔離段內(nèi)。隨著高速氣流繼續(xù)推動(dòng)激波串向下游運(yùn)動(dòng)，在t=211.7 ms時(shí)激波串從隔離段中被推回到凹腔內(nèi)。最后，在t=250.0 ms時(shí)，激波串消失，替換成了2道斜激波。其中一道斜激波(N)是乙烯注入高速氣流而產(chǎn)生的；另一道斜激波(P)是乙烯燃燒產(chǎn)生的，因?yàn)槿紵専釋⒓羟袑印疤нM(jìn)了”核心主流中，導(dǎo)致超聲速氣流流動(dòng)通道變窄，從而產(chǎn)生了這道斜激波。

圖14 第五階段的紋影圖像Fig. 14 Schlieren images of the fifth stage

第五階段的火焰自發(fā)光圖像如圖15所示，由于先鋒氫停止噴注，燃燒變?nèi)?。與隔離段中的激波串一樣，火焰也在t=202.6 ms時(shí)從隔離段中被推回凹腔內(nèi)。在t=203.0 ms時(shí)，靠近下壁面底部的火焰消失，主要分布在凹腔內(nèi)和靠近上壁面處。最后，在t=250.0 ms時(shí)，火焰只存在于凹腔內(nèi)。在此階段，火焰區(qū)域變得越來(lái)越小，火焰的主色由黃色變?yōu)樗{(lán)色，乙烯火焰(S)在腔內(nèi)的位置從上游往下游移動(dòng)。

圖15 第五階段的火焰自發(fā)光圖像Fig. 15 Flame luminosity images of the fifth stage

第五階段燃燒過(guò)程中的CH自發(fā)光圖像如圖16所示。無(wú)論先鋒氫是否停止噴注，乙烯的當(dāng)量比均保持恒定，所以CH自由基的發(fā)光面積也不會(huì)發(fā)生變化。與圖13相比，唯一的區(qū)別是CH自由基從靠近凹腔臺(tái)階的位置移動(dòng)到靠近凹腔后部斜坡的位置，這與圖15中火焰自發(fā)光圖像的分析是一致的。圖17中，OH自由基信號(hào)變化較大，變化率與CH自由基信號(hào)相比要大很多。先鋒氫停止噴注前，OH自由基面積較大，在t=201.0和203.0 ms時(shí)主要分布在凹腔中后部和凹腔下游的上壁面。當(dāng)t=241.0 ms時(shí)，乙烯單獨(dú)燃燒，此時(shí)OH自由基僅由乙烯燃燒產(chǎn)生，因此，最終在t=251.0 ms時(shí)，OH自由基的面積變得很小，僅存在于凹腔的后部。

圖16 第五階段的CH自發(fā)光圖像Fig. 16 CH luminosity images of the fifth stage

圖17 第五階段的OH-PLIF圖像Fig. 17 OH-PLIF images of the fifth stage

3 結(jié) 論

采用試驗(yàn)的方法在來(lái)流馬赫數(shù)Ma=2.0的條件下研究了以乙烯為燃料的直連式凹腔燃燒室的燃燒過(guò)程，結(jié)合壁面壓力曲線、紋影圖、火焰自發(fā)光照相和CH自發(fā)光圖像以及OH-PLIF圖像瞬態(tài)同步詳細(xì)分析了氫燃料點(diǎn)火、氫與乙烯共同燃燒以及乙烯單獨(dú)燃燒的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和火焰發(fā)展過(guò)程。燃燒過(guò)程分6個(gè)階段，第一階段描述了先鋒氫注入之前的無(wú)反應(yīng)流動(dòng)，試驗(yàn)測(cè)得流場(chǎng)結(jié)構(gòu)周期性振蕩的頻率約為400 Hz。第二階段描述了先鋒氫被點(diǎn)燃之前的流動(dòng)特性。第三階段描述了氫氣的燃燒過(guò)程，包括點(diǎn)火和火焰發(fā)展過(guò)程。第四階段描述了氫氣和乙烯的混合燃燒過(guò)程，此時(shí)燃燒最劇烈，當(dāng)先鋒氫停止噴注后，乙烯可以繼續(xù)穩(wěn)定燃燒。第五階段描述了乙烯的燃燒特性。

本文研究重點(diǎn)關(guān)注以下3個(gè)方面：1) 無(wú)反應(yīng)流動(dòng)(第一階段)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)呈周期性振蕩，本文條件下振蕩頻率約為400 Hz，這是超聲速來(lái)流下凹腔燃燒室構(gòu)型固有特性。2) 噴氫點(diǎn)火過(guò)程(第三階段)，火花塞點(diǎn)火(t=27.0 ms)僅0.1 ms后，即t=27.1 ms時(shí)，流場(chǎng)與火焰結(jié)構(gòu)發(fā)生劇變。燃燒非常強(qiáng)烈，2.0 ms內(nèi)(t=29.0～ 31.0 ms)，激波串推動(dòng)距離為0.04 m，移動(dòng)速度約為20 m/s，顯示了氫點(diǎn)火反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的重大影響。3) 氫和乙烯混合燃燒及乙烯單獨(dú)燃燒中，CH自由基是乙烯燃燒的中間產(chǎn)物，初步分析表明，乙烯的CH自發(fā)光圖像可以用來(lái)判斷其燃燒效率的高低。

上述整個(gè)燃燒流場(chǎng)的詳細(xì)試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果可為動(dòng)態(tài)CFD計(jì)算與驗(yàn)證提供依據(jù)。