等离子体助燃对航空煤油贫油燃烧的影响研究

为验证等离子体助燃改善航空煤油贫油燃烧性能的可行性,研制了圆管型介质阻挡放电等离子体助燃激励器,开展等离子体辅助航空煤油贫油燃烧的验证试验,分析等离子体激励参数(电源占空比、工作介质流量、放电电压)对燃烧性能(燃烧效率、贫熄边界)的影响,并与未施加等离子体助燃激励时的性能参数进行比较,同时对等离子体强化航空煤油贫油燃烧的原因进行了初步分析。实验结果表明,电源占空比或助燃激励器工作介质流量减小、放电电压增大时,燃烧效率增大、贫熄边界扩大,且施加等离子体助燃激励后燃烧性能均有一定程度的提高;圆管型空气介质阻挡等离子体放电产生的O3是等离子体强化航空煤油贫油燃烧的主要因素。     

空气等离子体射流点火器特性实验研究

为了研究等离子体射流点火提升燃烧室内可燃混合气点火性能的机理,利用建立的实验测量系统,实验研究空气等离子体射流点火器的放电特性和射流特性,并与电火花点火器对比研究在航空煤油/空气混合气中的点火过程。实验结果表明,该空气等离子体射流点火器的击穿电压为9.2k V;相同电压下,电弧电流随工作介质流量的增大而减小,随点火驱动电源输出电流的增大而增大;点火器的伏安特性为下降型;等离子体点火射流长度随点火驱动电源输出电流的增大而增长,随工作介质流量的增大,先增长后缩短;来流速度对等离子体点火射流产生较大影响;等离子体射流点火延迟时间小于电火花点火。     

介质阻挡体放电对甲烷扩散火焰CH*自发辐射影响实验研究

为分析非平衡等离子体对空气/甲烷扩散火焰的助燃效果,实验以发射中心谱线430nm的激发态自由基CH*表征火焰燃烧状态,采用同轴圆柱构型激励器在高频交流模式下激发等离子体,分析了火焰CH*自发辐射图像、火焰高度、CH*径向分布和燃烧释热速率等火焰特性在不同空气流量和当量比下随放电电压的变化规律。结果表明：等离子体激励在空气流量较低时,会显著增强火焰上游甲烷燃烧,从而降低CH*空间分布高度和火焰高度;空气流量增大后,有利于促进甲烷充分燃烧,增大火焰下游CH*辐射强度和分布范围。在火焰上游区域,等离子体气动效应可有效扩展甲烷径向分布,实现剪切层更宽范围燃烧,其活化效应会明显提高剪切层燃烧强度,并随电压增大作用效果逐渐增强。此外,等离子体激励会使燃烧器喷嘴出口附近火焰释热速率显著增大,该现象在空气-甲烷动量比较大时更容易发生。     

表面介质阻挡放电等离子体体积力实验

采用粒子图像测速(PIV)技术,在2200,4800,7300,14600Pa空气压力条件下,测量了高频高压表面介质阻挡放电(surface dielectric barrier discharge,SDBD)等离子体诱导流场.根据速度场和N-S方程求解了等离子体体积力分布,分析了空气压力和激励器电压对等离子体体积力影响.实验结果表明:相同空气压力时,激励器电压越高体积力越大.相同激励器电压时,体积力随空气压力升高减小.在体积力分布区域,体积力方向一致,较大体积力区域分布于体积力方向线上游,流场高速流动区域紧挨较大体积力分布区域,位于体积力方向线下游.     

介质阻挡放电等离子体气动激励的动量特性

从诱导气流速度和体积力两个方面开展了介质阻挡放电等离子体气动激励的动量特性研究,对不同激励参数下的诱导气流速度进行了测量与结果分析;通过对体积力的实验测量与理论计算,对比研究了体积力的变化规律与主要影响因素.结果表明:等离子体气动激励可以增大气流速度,但随着气流速度的增大,等离子体气动激励的加速效果减弱;激励电压或激励频率增大,体积力均表现为线性增加,但激励电压增大时可以更好的增大体积力;与增大电极内间距相比,增大下层电极宽度可以产生更大的体积力.      

脉冲介质阻挡放电等离子体热效应实验

为了研究介质阻挡放电的热效应,将介质阻挡放电等离子体激励器(DBDPA)安装在一个小型量热风洞中,采用微秒级脉冲等离子体电源驱动DBDPA产生放电等离子体。分别应用Lissajous图形分析方法和量热学原理获得了DBDPA的放电功率特性和热功率特性。结果表明:①脉冲介质阻挡放等离子体的放电功率、热功率和热效率均随着激励电压峰-峰值和激励频率的升高而逐渐增大;②脉冲介质阻挡放电等离子体的放电功率和热功率与激励电压和激励频率之间均存在幂函数关系,即脉冲式介质阻挡放电等离子的放电功率正比于激励电压峰-峰值的1.75次方,正比于激励频率的1次方,其热功率正比于激励电压峰-峰值的5.0次方,正比于激励频率的1.5次方;③在激励电压和激励频率这两个参数中,优先选择提高激励电压峰-峰值更有利于提高热效率,也可更快地提升介质阻挡放电等离子热功率中气体加热功率的比例。      

直流滑动弧等离子体点火器特性的实验研究

为了探究直流滑动弧放电应用于航空发动机燃烧室内点火的性能特点,设计了直流滑动弧等离子体点火器,在模型燃烧室内进行了煤油/空气混合气的点火实验,利用高速相机记录了滑动弧等离子体点火器的电弧产生和滑动过程以及燃烧室内煤油/空气混合气的点火和火焰发展过程,研究了不同空气工作介质流量、驱动电源输出电流、点火器电极夹角和点火器安装位置等因素对滑动弧等离子体点火器点火特性的影响。结果表明:滑动弧在运动过程中会产生不规则的跳动,并且存在着电弧分流的现象,导致电弧长度发生变化;在湍流的作用下,初始火核会演变为分裂的、大面积的湍流火焰,着火面积不断增大,最终在t=21ms时形成稳定燃烧;随着空气工作介质流量增大、驱动电源输出电流减小以及点火器的安装位置远离燃油雾化喷嘴,滑动弧等离子体点火器的电弧长度减小,点火延迟时间逐渐增长,例如余气系数α=8时,I=30A下电弧长度为47.1mm,相比I=20A增长了75.1%,点火延迟时间为21ms,相比I=20A缩短了40%;而随着点火器电极夹角的增大,电弧长度先增大后减小,点火延迟时间则先减小后增长,在电极夹角θ=45°时,电弧长度最长,点火延迟时间最短,分别为30.5mm和12ms。     

活性粒子对H_2/Air混合物燃烧的影响

建立H2/Air混合物燃烧的化学动力学模型,计算与分析了在非平衡等离子体条件下,气体放电产生的活性粒子(O,H)和活性基(OH)在不同当量比下对参与燃烧的组分以及温度和压力的影响,为航空发动机燃烧室等离子体助燃(PAC)实验研究和实际应用提供理论依据.计算结果表明等离子体助燃可以提高反应效率、燃烧温度和火焰传播速率,减少燃烧上升时间,强烈影响H2/Air混合物燃烧.     

超声速气流中纳秒脉冲放电特性实验研究

产生超声速导电流体是开展磁流体（MHD）动力技术实验研究的前提,低温超声速条件下产生大体积均匀等离子体有效可行的方法之一是纳秒脉冲介质阻挡放电。介绍了基于马赫数为3吸气式双喉道风洞的超声速纳秒脉冲介质阻挡放电实验系统的基本组成、设计原理和运行情况,分别在静止和马赫数为3超声速条件下对气体电离,测量分析电压和电流波形。得到以下结论：风洞稳定工作时间约为16 s,满足超声速气体放电实验的可靠进行和数据的有效采集;实验条件下,纳秒脉冲介质阻挡放电气体击穿与电场强度值有关,而与电场强度变化率无关;实验条件下,着火电压大小受超声速气流密度波动影响显著,而受气流速度影响较小。另外,气体击穿后的放电状态受超声速气流影响小;气体击穿时刻的电流峰值受着火电压和实验环境中随机自由电子数共同影响。     

活性粒子对H2/Air混合物燃烧影响的研究

等离子体助燃（PAC）是航空动力领域中的一项新技术。活性粒子在等离子体助燃计算中一直是一个难题,文章建立H2/Air燃烧的化学动力学模型,计算与分析了在非平衡等离子体条件下,气体放电产生的活性粒子（O,H）和活性基（OH）在不同当量比下对燃烧过程中参与燃烧的组分以及温度和压力的影响,为航空发动机燃烧室等离子体助燃实验研究和实际应用提供理论依据。数学模型的计算结果显示等离子体助燃可以提高反应效率,减少燃烧上升时间,提高燃烧温度和火焰传播速率,强烈影响H2/Air混合物燃烧。     

基于急速混合管状火焰技术的丙烷富氧燃烧

采用燃料与氧化剂分别切向注入柱形燃烧室的急速混合管状火焰燃烧技术,开展了丙烷富氧燃烧实验研究,重点分析了火焰结构和燃烧稳定性随氧气摩尔分数xO2的变化规律。丙烷空气实验中,急速混合获得了与预混燃烧相近的均匀稳定层流火焰。以CO2为稀释剂,利用急速混合燃烧分析了不同xO2的火焰特性。结果表明:当xO2≤0.5时,在可燃范围内可获得均匀稳定的管状火焰;xO2=0.6,火焰结构不均匀但仍为稳定层流火焰;xO2增加至0.7时,仅在低当量比下获得了稳定管状火焰,当量比为1.0附近则出现了不稳定燃烧;随着xO2进一步增加,不稳定燃烧范围扩大。实验测量了xO2≤0.4的丙烷可燃界限,相同xO2下N2为稀释剂的可燃范围比CO2的大;且在xO2低至0.125时仍能燃烧,而CO2为稀释剂时此值为0.18。      

纳秒脉冲滑动弧放电等离子体裂解煤油实验研究

为改善极端条件下航空煤油的点火和燃烧性能,提高煤油活性,本文在大气压氮气环境下利用纳秒脉冲电源产生的滑动弧等离子体进行煤油裂解实验研究,得到了包含活性更高的气态轻质烃和氢气等小分子物质的裂解气。通过改变电源输出脉冲电压的上升沿时间和下降沿时间,得到了裂解气产量、碳氢比以及裂解气中各组分选择性的变化规律,并总结了相关的部分反应路径。实验结果如下：裂解气产量随着上升沿时间的增加而减小,随着下降沿时间的增加而上升,裂解气碳氢比则呈现相反的变化规律；裂解气主要组分中,乙烷选择性最高,在各实验工况下均超过30%；随着上升沿时间和下降沿时间的增加,裂解气中丙烷和丙烯的选择性均降低,氢气的选择性上升；上升沿时间和下降沿时间的变化对裂解效果产生影响的主要原因是改变了反应的路径。实验结果表明,纳秒脉冲滑动弧放电等离子体可以将煤油中的部分大分子烃类转化为气态轻烃和氢气等高活性组分。同时,增加纳秒脉冲电压下降沿时间能够改善滑动弧等离子体的裂解效果,获得更多活性更高的小分子物质。     

基于交叉射流与切向旋流的CH_4柔和燃烧特性对比

轴向分级柔和燃烧器中,采用了交叉射流、切向旋流两种掺混方式,通过实验结合数值计算的方法,从流场和组分分布角度比较了两种掺混方式的掺混特点,从火焰特征、NO/CO排放方面比较了燃烧性能.实验以甲烷为燃料,热功率为16.2~25.9kW,相对切向旋流,交叉射流延缓了燃料、空气的直接混合,燃料、空气燃烧前经回流烟气充分预热和稀释,火焰根部有抬升,反应区体积大,火焰特征更接近柔和燃烧.同时,交叉射流分级燃烧器的污染物排放性能更优,回流比例为0.5、当量比为0.6时,烟气中NO和CO体积分数均仅为4×10-6.     

乙醇燃烧加热空气污染物对煤油超燃的影响

在燃烧室入口来流马赫数为2.5的条件下,研究乙醇燃烧加热空气污染物对煤油超声速燃烧的影响.在加热器中,采用预混稳态燃烧火焰模型和61组分388步详细反应机理模拟乙醇燃烧加热过程,获得与实验温度条件相同的详细污染出口组分组成.其主要污染空气作为煤油超声速燃烧室的入口组分,采用17组分30步反应机理模拟煤油超声速燃烧过程,研究了污染物组分对煤油超燃室性能的影响.通过化学动力学和热力学分析,对比了地面电加热、乙醇燃烧加热和25km高空三种工况.结果表明:由于自由基作用以及平 均分子质量的减小和平均比定压热容的增加,乙醇燃烧加热污染空气造成超燃室的燃烧效率和内推力均上升.      

Experimental study of rotating gliding arc discharge plasma-assisted combustion in an aero-engine combustion chamber

The combustion chamber is the core component of an aero-engine, and affects its reliability and security operation, even the performance of the aircraft. In this work, a Plasma-Assisted Combustion(PAC) test platform was developed to validate the feasibility of using PAC actuators to enhance annular combustor performance. Two plans of PAC(rotating gliding arc discharge plasma) were designed, Assisted Combustion from Primary Holes(ACPH) and Assisted Combustion from Dilution Holes(ACDH). Comparative experiments and analysis between conventional combustion and PAC were conducted to study the effects of ACPH and ACDH on the performances including average outlet temperature, combustion efficiency, pattern factor under four different excessive air coefficients(0.8, 1, 2, and 4), and lean blowout performance at different inlet airflow velocities. Experimental results show that the combustion efficiency is improved after PAC compared with that in normal conditions, and the combustion efficiency of ACPH increases2.45%, 1.49%, 1.04%, and 0.47%, while it increases 2.75%, 1.67%, 1.36%, and 0.36% under ACDH conditions. The uniformity of the outlet temperature field and the lean blowout performance are improved after PAC. Especially for ACPH, the widening of the lean blowout limit is8.3%, 12.4%, 12.8%, and 25% respectively when the inlet velocity ranges from 60 m/s to120 m/s. These results offer new perspectives for using PAC devices to enhance aero-engine combustors' performances.     

等离子体助燃下超燃支板燃烧室燃烧特性数值研究

为了将支板喷注器与等离子体射流这两种促进超声速燃烧室燃烧的方式结合起来,设计了一种带有等离子体射流喷孔的支板燃烧室,并在超声速来流的条件下,针对燃料喷注总压、燃料喷注位置、等离子体射流介质、等离子体射流总压对燃烧室燃烧性能的影响进行了三维数值模拟。研究发现:增大燃料的喷注总压,燃烧室的燃烧范围明显增大,燃烧效率呈现出先增大后减小的趋势,在燃料喷注总压为2.0MPa时,燃烧效率达到最大值90.4%;不同的燃料喷注位置对燃烧室的燃烧范围影响较小;等离子体射流介质为O2时,燃烧效率最高,燃烧范围最广;提高等离子体射流的喷注总压,能够提升凹腔剪切层高度,有效促进燃烧,但同时也带来了更高的总压损失。     

基于等离子体的新型燃烧室头部工作特性实验研究

本文设计了一种基于三维旋转滑动弧的航空发动机新型燃烧室头部,该头部可以在保持原有燃烧室结构不变的基础上,实现对燃烧室的点火和助燃。进行了新型燃烧室头部的放电特性实验,分析了稳定电弧滑动(A-G)模式和击穿伴随滑动(B-G)模式两种放电模式的特点。探究了两种放电模式对振动温度的影响,以及空气流量和电压对OH、O2、O3、NO四种粒子光谱发射强度的影响。结果表明,B-G模式电弧的放电功率更大,达到84W,放电模式对振动温度的影响取决于空气流量和电压的变化,而光谱发射强度则是A-G模式大于B-G模式。     

Experimental and Numerical Studies of Vitiated Air Effects on Hydrogen-fueled Supersonic Combustor Performance

This paper deals with the vitiation effects of test air on the scramjet performance in the ground combustion heated facilities. The primary goal is to evaluate the effects of H2O and CO2, the two major vitiated species generated by combustion heater, on hydrogen-fueled supersonic combustor performance with experimental and numerical approaches. The comparative experiments in the clean air and vitiated air are conducted by using the resistance heated direct-connected facility, with the typical Mach 4 flight conditions simulated. The H2O and CO2 species with accurately controlled contents are added to the high enthalpy clean air from resistance heater, to synthesize the vitiated air of a combustion-type heater. Typically, the contents of H2O species can be varied within the range of 3.5%-30% by mole, and 3.0%-10% for CO2 species. The total temperature, total pressure, Mach number and O2 mole fraction at the combustor entrance are well-matched between the clean air and vitiated air. The combustion experiments are completed at the fuel equivalence ratios of 0.53 and 0.42 respectively. Furthermore, three-dimensional (3D) reacting flow simulations of combustor flowpath are performed to provide insight into flow field structures and combustion chemistry details that cannot resolved by experimental instruments available. Finally, the experimental data, combined with computational results, are employed to analyze the effects of H2O and CO2 vitiated air on supersonic combustion characteristics and performance. It is concluded that H2O and CO2 contaminants can significantly inhibit the combustion induced pressure rise measured from combustor wall, and the pressure profile decreases with the increasing H2O and CO2 contents in nonlinear trend; simulation results agree well with experimental data and the overall vitiation effects are captured; direct extrapolation of the results from vitiated air to predict the performance of actual flight conditions could result in over-fueling the combustor, possible inlet un-start and inappropriate combustion mode transition. The detailed analysis and discussion are presented and the research conclusions are summarized.     

加力燃烧室用齿冠状混合器的数值研究与验证

基于CFD(computational fluid dynamics)技术,分别采用有限速率/涡耗散(finite-rate/eddy-dissipation)、涡耗散(eddy-dissipation)和涡耗散概念(EDC)燃烧模型,对一种曲面齿冠状混合器作用下的加力燃烧室进行数值计算.计算结果表明:曲面齿冠状混合器下游产生明显的流向涡对,流向涡的存在可以增强内外涵冷热气流掺混;与直面齿冠状混合器相比,曲面齿冠状混合器下游流向涡强度大于直面齿冠状混合器,其混合效率高于直面齿冠状混合器;加力燃烧室内氧气和二氧化碳质量分数分布结构表明了涡耗散模型的计算更为合理;计算结果可为加力燃烧室混合器选型和燃烧数值模拟提供依据.