乙烯高速射流点火过程试验研究

刘 冰, 何国强, 秦 飞

(西北工业大学 燃烧、热结构与内流场重点实验室, 西安 710072)

0 引 言

高速流动条件下的碳氢燃料点火和火焰稳定是超燃冲压发动机燃烧室的重要关键技术[1]，在毫秒级的驻留时间内实现有效掺混、点火和火焰稳定是发动机燃烧室的关键问题[2-4]。

在实际发动机燃烧室中，支板和凹腔等火焰稳定装置使流动状态变得复杂，研究人员很难建立流动和燃烧之间的直接关系。为了从机理角度认识高速流动条件下的点火过程，国内外的学者采用了多种简化手段进行分析研究。Oldenhof[5-8]基于高温空气同轴射流火焰对甲烷的点火过程进行了试验研究，发现提高伴流温度或者加入少量的大分子烷烃能够增加点火概率，并且能够降低抬升距离。Gordon[9-10]使用同样的构型研究发现高温空气中射流火焰的稳定机制为自点火过程稳定。沈雪豹[11-12]研究了甲烷和丙烷在热伴流条件下的射流火焰的抬升与其稳定性，对不同伴流条件下的火焰抬升高度行了分析。对碳氢燃料在高温空气中的扩散燃烧特征的研究，能够为揭示高速流动条件下的燃烧机理提供重要的依据。

目前的研究主要集中在伴流条件为贫燃，并且中心射流多为甲烷、氢气或者低速流动[5-14]。本文针对冲压发动机燃烧室中富燃燃气点火[15]过程设计了一套伴流为低速富燃燃气，中心射流为高速射流的高温同轴射流试验装置，通过开展乙烯高速射流点火过程试验研究，分析了不同伴流当量比和中心射流喷注压力对点火过程的影响，加深对乙烯高速射流在富燃燃气条件下点火过程的了解。

1 试验装置

图1为高温同轴伴流试验装置示意图，中心为直径1mm的喷嘴，伴流直径为80mm，燃料管长700mm，为了防止出现回火，使中心喷嘴比伴流高20mm。中心喷嘴使用的是纯乙烯，燃料总温300K，喷嘴为收敛喷管，因此喷嘴出口最大马赫数为1，静温为268.7K，乙烯比热比为1.233，由声速公式计算喷嘴出口的速度为313.6m/s。实验中通过改变中心喷嘴的喷注压力(总压)达到不同的射流速度(当喷嘴出口的静压大于大气环境压力的时候，燃料射流会继续膨胀加速达到更大的速度)和燃料流量。在燃料管的入口处安装有一个电磁阀，由于喷嘴直径较小，且喷注压力均大于或等于喷嘴临界状态的总压，因此当电磁阀开孔大于1mm时燃料管内气流就能迅速达到稳定状态，该过程时间较短，在实验中忽略不计。

伴流使用的是乙烯和空气的混合物，乙烯和空气分别从试验装置底部进入，经过5块多孔板进行掺混，然后在蜂窝板处认为达到了完全预混，最后在蜂窝板上点燃预混气，伴流流速1.5m/s，通过改变预混气的当量比，获得不同的温度和组分。使用高速摄像机记录中心射流从开始喷注到最后稳定的整个过程，摄像机的采样率为10kHz，图片分辨率为354pixel×1380pixel。

图1 试验装置示意图

2 试验结果与分析

2.1 试验条件

试验通过研究不同喷注压力和伴流当量比下的图像，探究喷注压力和伴流当量比对点火过程的影响，具体工况表如表1所示，表1中的参数由气动公式计算得到。φ表示伴流当量比；p表示中心射流的喷注压力；v表示乙烯射流膨胀加速后达到的最大速度；u表示伴流速度。表2为不同伴流当量比下的伴流温度和组分质量分数(由Cantera开源程序计算获得)。

表1 试验工况Table 1 Experimental conditions

表2 伴流的温度和组分质量分数Table 2 Temperature and species mass fraction of coflow

2.2 伴流当量比对点火过程的影响

使用高速摄像机对中心射流的点火过程进行详细记录，由于试验研究的是高速流动条件下的扩散燃烧过程，文献[16]中将乙烯火焰亮度的强弱视为燃烧释热量的大小，因此在本文中将火焰亮度的强弱视为释热量的大小。图2为工况1(φ=1.4，v=345m/s)和工况2(φ=1.6，v=345m/s)点火过程中亮度随时间变化的结果，可以看出工况1中高亮度值的面积大于工况2高亮度值的面积，因此可认为工况1的释热量比工况2大。为了定量研究点火过程释热量的变化，对图2拍摄区域每幅图片的亮度值进行求和，并且基于工况1点火过程中的最大亮度值对所有的工况进行归一化处理。图3为工况1和2归一化后的总亮度值随时间的变化，从图中可以看出点火过程主要分为4个阶段：(1) 0～A1和0～B1，在这个过程中，乙烯从喷嘴出来以后速度先升高后降低，并且和伴流进行剧烈掺混，在这个阶段内没有发生剧烈的化学反应；(2) A1～A2和B1～B2，在这个过程中，乙烯和空气发生了剧烈的化学反应，释热量迅速的增大；(3) A2～A3和B2～B3，在这个过程中，高温火焰在火焰下游与冷空气剧烈掺混，火焰亮度变弱，在火焰下游发生了熄火现象，因此出现了火焰总亮度急剧下降的现象；(4) A3～120ms和B3～120ms，火焰到达了稳定状态。

图2 工况1和2的点火过程

结合图2和3，在第1个阶段内：2个工况开始着火的时间均为20ms，这是因为只有燃料积累到一定浓度时才会发生着火；在第2个阶段内：工况1的斜率大于工况2，工况1在65ms处达到最大值，工况2在50ms处达到最大值，这是因为乙烯燃料发生了快速的燃烧过程，火焰亮度和释热量迅速增大，且伴流当量比为1.4时乙烯火焰亮度和释热量均较大；在第3个阶段内：经过第2个阶段的迅速燃烧，第1个阶段内积累的燃料消耗殆尽，且高温火焰在下游与冷空气混合并发生了熄火，使得工况1和2的火焰亮度和释热量均下降，工况1在100ms处达到火焰稳定，工况2在90ms处达到火焰稳定；在第4个阶段内：工况1和2的火焰均达到了稳定状态，工况1比2的火焰总亮度值大，这里也反映出伴流当量比1.4要比1.6对乙烯射流的点火更有效。

图3 点火过程中工况1和2总亮度值随时间的变化

2.3 中心乙烯射流喷注压力对点火过程的影响

图4为工况1(φ=1.4，v=345m/s)和工况3(φ=1.4，v=439m/s)点火过程中火焰亮度随时间变化的结果。从图中可以看出,在0～50ms，2个工况的亮度差别不大，经过50ms后，工况1的亮度比工况3的亮度大，因此在0～50ms过程2个工况释热量一样，在50ms后，工况1释热量比工况3释热量大，这是因为工况1和3伴流当量比均为1.4。为了定量研究中心射流喷注速度对点火过程的影响，对图4拍摄区域的每幅图片的亮度值进行求和，并且基于工况1点火过程中的最大亮度值对所有的工况进行归一化处理。图5为工况1和3归一化后的总亮度值随时间的变化。从图中可以看出，工况3的点火过程与工况1类似，同样分为4个阶段，分为：(1) 0～C1，伴流和主流掺混，没有剧烈化学反应发生；(2) C1～C2，主流和空气发生剧烈的化学反应，释热量迅速增大；(3) C2～C3，高温火焰在下游遇到冷空气发生熄火，火焰亮度变弱；(4) C3～120ms，火焰达到稳定状态。

图4 工况1和3的点火过程

结合图4和5，在第1个阶段内：工况1和3开始着火的时间均为20ms；在第2个阶段内：在20～50ms过程中2个工况的总亮度值增长斜率是一样的，这是因为2个工况的伴流当量比均为1.4，伴流对射流的点火效果是一样的，工况3在50ms处火焰总亮度值达到最大值，这是因为工况3中心射流最大速度为439m/s，冷态乙烯积累较多，使得火焰亮度迅速减弱，且火焰释热量变小；在第3个阶段内：火焰在下游和冷空气的剧烈混合导致了火焰下游亮度减弱并发生了熄火，所以总亮度值持续下降，工况1在100ms处火焰达到稳定状态，工况3在90ms处达到稳定状态；在第4个阶段内：工况1和3均达到了稳定状态，2个工况的伴流当量比一样，工况3的乙烯射流速度和流量均比工况1大，导致了乙烯不充分燃烧且释热量减小，使得工况3在稳定状态的火焰总亮度值低于工况1.

图5 点火过程中工况1和3总亮度值随时间的变化

3 结 论

建立了用于研究乙烯高速射流点火的高温同轴伴流试验装置，使用高速摄像机记录了乙烯从喷嘴出来到最后稳定的整个过程，详细分析了乙烯射流的点火过程，并且得到了以下结论：

(1) 乙烯高速射流在富燃燃气中的点火过程主要分为4个阶段：(a) 主流和伴流掺混；(b) 主流和空气发生剧烈化学反应；(c) 火焰在下游遇到冷空气发生局部熄火；(d) 火焰达到稳定状态。

(2) 伴流当量比1.4比1.6对乙烯高速射流的点火作用更强，且伴流当量比1.6使乙烯高速射流火焰具有较多的局部熄火和较低的释热量。

(3) 随着乙烯高速射流速度的增大，伴流当量比对射流的点火作用不变，但是速度的增大会导致较弱的火焰亮度和较低的释热量。

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