超聲速氣流中的點火啟動及其強化機理研究.pdf

1、本文著眼于超燃沖壓發(fā)動機燃燒室的點火啟動過程，采用高速攝影、紋影、PIV等流場測量手段并結(jié)合數(shù)值模擬方法對超聲速氣流中的自點火、強迫點火過程的火焰生成、傳播及其點火強化機制進行了系統(tǒng)研究。
　　首先，對高總溫下的自點火初始火核形成和發(fā)展過程進行試驗研究，對比分析了燃料種類、總溫、激波強度、噴注壓力、噴注距離、凹腔長深比、氣流壅塞效應(yīng)、燃料預(yù)混條件等多種因素對點火過程的影響。研究結(jié)果表明，點火延遲時間和停留時間之間的競爭關(guān)系決定了自

2、點火的發(fā)生。提高來流總溫、提高燃料噴注壓力、引入入射斜激波、氣流壅塞效應(yīng)等措施有助于縮短點火延遲時間、提高燃料停留時間的流場作用機制均能夠促進自點火火核的生成。自點火火核發(fā)展的動態(tài)過程表明，自點火火核生成的初始階段由自點火機制所控制，由于氣流的非定常特性，自點火火核無法在平板噴流條件下實現(xiàn)自穩(wěn)定。凹腔回流區(qū)是穩(wěn)態(tài)火焰建立的必要條件，其一方面為初始火核的傳播營造低速環(huán)境，一方面為實現(xiàn)自持燃燒充當(dāng)點火源。穩(wěn)態(tài)燃燒建立后，凹腔駐留火焰形成的火

3、焰?zhèn)鞑ヒ约跋蛳掠蔚膶α鲹交烊紵腔鹧娴靡跃S持的主要機制。
　　其次，對局部激勵下氣態(tài)乙烯和液態(tài)煤油燃料的強迫點火過程進行了研究，并結(jié)合點火前流場特征的測量和數(shù)值模擬，對點火過程進行了分析。研究表明，凹腔角回流區(qū)是點火初始火焰形成的關(guān)鍵區(qū)域。點火能量在該區(qū)域累積建立凹腔角回流區(qū)火焰后，分別擴展形成凹腔駐留火焰，并向下游輸運、摻混燃燒，最后在燃燒放熱誘導(dǎo)產(chǎn)生的預(yù)燃激波串下形成對點火的壓力正反饋。對于噴霧燃料，幾種不同的火焰失效模式與噴

4、注壓力的大小密切相關(guān)，其直接決定了凹腔內(nèi)的燃料濃度分布。噴霧燃料的點火范圍較窄，其點火過程的建立更加依賴于預(yù)燃激波串對噴霧的蒸發(fā)、混合的促進作用。凹腔內(nèi)未完全蒸發(fā)的小液滴在火焰?zhèn)鞑ミ^程中需要吸收大量的熱，易導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ナ?。采用提高火焰溫度和強化下游摻混燃燒的辦法能夠改善火焰?zhèn)鞑ヂ窂?，提升點火性能。
　　再次，針對局部凹腔補氧下的噴霧點火強化技術(shù)進行了試驗和數(shù)值分析，驗證了補氧點火的有效性及其作用原理。試驗發(fā)現(xiàn)，不同的補氧噴注方式

5、下，凹腔內(nèi)的火焰結(jié)構(gòu)和強度特征呈現(xiàn)出不同的特點，補入適量的氧氣能夠彌補凹腔內(nèi)空氣質(zhì)量交換率的不足，改善點火的濃度條件，提高點火性能。補氧點火機理是通過提高絕熱火焰溫度，促進火焰區(qū)域的液滴蒸發(fā)過程以保證火焰的順利傳播而實現(xiàn)的。同時計算結(jié)果表明，提高混合氣中的氧氣含量可減少對最小點火能量的需求。
　　最后，對引導(dǎo)火焰點火和熱射流點火兩種預(yù)燃火焰作用下煤油噴霧的強迫點火過程進行研究，對比分析了預(yù)燃激波串、預(yù)燃火焰的結(jié)構(gòu)及其與噴霧軌跡的相