乙烯燃料超燃冲压发动机燃烧过程研究

钟富宇, 乐嘉陵, 田 野, 岳茂雄

中国空气动力研究与发展中心 高超声速冲压发动机技术重点实验室, 四川 绵阳 621000

0 引 言

吸气式高超声速飞行器是实现全球范围内快速远程民用运输、可突防远程快速打击以及近地轨道空间运输等的重要载体[1]。超燃冲压发动机是这类飞行器最具推广意义的推进装置，尤其是在马赫数大于5.0时具有非常广阔的应用前景。超燃冲压发动机燃烧室的可靠点火和稳定燃烧过程一直是人们关注的焦点。在超声速燃烧过程中，对流场结构和火焰发展变化过程的研究能够加深对点火和燃烧机理的认识，需要采用多种非接触式燃烧流场诊断技术对其进行观测，以达到多种测量结果相互补充和印证的目的。

田野等[2]通过试验研究了不同当量比的氢燃料对燃烧模态和燃烧流场结构的影响，采用了多种非接触光学测量方法进行同步测量，结果表明:当量比大于0.17时，燃烧流场结构不稳定，火焰分布呈现破碎状,火焰在燃烧室上下壁面之间来回传播；当量比小于或等于0.17时，燃烧流场结构稳定，火焰呈现连续分布，火焰稳定分布于凹槽下部剪切层内。吴戈等[3]综合利用OH-PLIF及CH-PLIF研究了乙烯燃料在凹腔流动的几个截面火焰结构，结果表明：当量比较低时，燃烧的火焰反应区主要在凹腔中，OH沿中心轴对称分布，当量比较高时OH主要沿燃烧室两侧壁分布；CH-PLIF的结果显示放热区呈现高度褶皱的破碎状，放热区分布范围比反应区更窄。Ruan等[4]在基于凹腔的超燃冲压发动机燃烧室构型中进行了反应流和无反应流的试验，结果表明：燃烧首先在扩散火焰控制下进行，然后是充分混合后的高效率燃烧，在凹腔内也出现了明显的扩散火焰控制燃烧现象。Gordon和Mastorakos[5-7]研究了不同来流条件下的点火和火焰稳定，发现火焰稳定性对来流温度和速度很敏感，高总焓的来流条件有利于燃料的自点火和火焰稳定。张湾洲等[8]采用试验方法研究了飞行马赫数Ma=4.0、总温935 K来流参数下的超燃发动机乙烯点火试验，结果表明：回流区有利于点火，剪切层和凹槽后部是稳焰的主要区域；点火成功后，剪切层内和凹槽后部持续卷吸氧化剂，能够维持稳定的燃烧。Brieschenk等[9-10]对超燃冲压发动机激光诱导等离子体(LIP)点火行为进行了试验研究，采用OH-PLIF表征等离子点火区域的演变过程，结果表明高超声速流动中等离子点火可以促进羟基的形成。Kumaran等[11]用数值方法研究了化学模型对超声速燃烧的影响，计算结果表明，多步化学反应预测比单步化学反应预测的释热量更高、释热区域更大，多步化学预测的燃烧过程更详细、更复杂。Nakaya等[12]采用试验方法研究了正十二烷中各组分对点火和燃烧的影响，发现在所有的超声速燃烧情况下，点火均是在扩张截面处的边界层中发生，火焰向上游传播最终稳定在凹腔内，基于压力和OH基的荧光发现了2种燃烧模式：射流尾迹稳定模式和凹腔火焰稳定模式。

何粲等[13]对一种乙烯燃料矩形截面超燃冲压发动机进行了数值模拟，研究了该模型在不同燃烧模态下的流动特性，与试验结果吻合良好，其结果表明：发动机处于双模态超燃或双模态亚燃模态时，随着激波串结构的形成与前移，部分燃烧可能在隔离段内完成；而对于纯超燃模态，燃烧仅发生在凹槽与扩张段内，化学反应与高温区的分布相对更集中。Qin等[14]研究了冲压发动机燃烧室内的火焰稳定性，结果表明：新型支板尾部产生的激波会形成高温高压区域有助于燃烧，但也不可避免地带来了总压损失，激波只影响到支板的附近区域。Förster等[15]对超燃冲压发动机燃烧室内超声速和双模态燃烧的现象进行了试验研究，他们发现，在反应区，火焰结构和局部激波形态不同，不能仅通过评估静壁压力分布来区分燃烧模态。An等[16]对超声速燃烧室激光点火和火花塞放电点火进行了对比试验研究，结果表明，火花塞放电点火的点火过程明显慢于激光点火。

综上所述，此前研究者已经采用不同的方法对超燃冲压发动机燃烧室的点火和火焰稳定进行了研究，本文则采用多种非接触式光学测量手段瞬时同步测量并详细研究流场和火焰结构整个动态发展过程，获得了详细试验数据，可为LES的大涡模拟计算提供验证。

1 试验及测量方法介绍

1.1 试验设备和发动机构型

本文的试验研究工作在中国空气动力研究与发展中心(CARDC)的直连式超声速脉冲燃烧风洞(如图1所示)上开展。该风洞在之前的研究工作中[17-20]已经有所介绍。试验中，富氧空气与氢气在加热器中混合燃烧，以产生高焓来流，流量为2.68 kg/s，总压pt=0.82 MPa，总温Tt=950 K。O2、H2O和N2的摩尔分数分别为21%、12%和67%。来流气体通过二维喷管加速到Ma=2.0。

图1 中国空气动力研究与发展中心直连式脉冲燃烧风洞Fig. 1 Direct-connected pulse combustion wind tunnel of CARDC

如图2所示，超燃冲压发动机模型由长300 mm的隔离段和长773 mm的燃烧室组成。隔离段由长220 mm的等直段和长80 mm的扩张段组成，该扩张段的扩张角为1.4°，入口截面为30 mm×150 mm的矩形。凹腔深度11 mm,长121 mm(后斜坡角为21.1°，腔内带有1.4°的发散角)，在凹腔内，距台阶下游71 mm处设有压力监测点，用于监测燃烧状态(图2中Pressure monitor所示位置)。凹腔下游为扩张段，扩张段分为4小段：第一段长102.5 mm，带有1.4°扩张角；第二段长145 mm，带有2.0°扩张角；第三段长141.5 mm，带有8.0°的扩张角；最后一段长263.0 mm，带有15.0°的扩张角。2个火花塞位于凹腔台阶下游75 mm处，用于点燃先锋氢。先锋氢通过15个直径为1.0 mm的圆孔喷注进入燃烧室，喷孔展向均布于凹腔台阶上游10 mm处。常温乙烯通过直径1.0 mm的10个圆孔从凹腔台阶下游25 mm处喷注进入燃烧室，进入后被先锋氢火焰引燃。先锋氢的当量比约为0.33，乙烯的当量比约为0.10。

图2 超燃冲压发动机内流道型面及燃烧室示意图Fig. 2 Geometry of internal flow passage and the schematic diagram of a scramjet combustor

设备运行的有效试验时间约为440 ms，试验操作时序如表1所示。为方便描述时序，将先锋氢喷注进入燃烧室的时刻记为t=0，在t=-32.0 ms时冷流流场建立稳定。火花塞工作了2次，第一次是在t=27.0 ms时，随后先锋氢被成功点燃。乙烯在t=100.0 ms时喷注进入燃烧室，随后被先锋氢火焰引燃。第二次是在t=207.0 ms时，先锋氢停止喷注，乙烯继续燃烧一段时间，在t=308.0 ms停止喷注乙烯。

表1 试验操作时序Table 1 Experimental operation sequence

1.2 测量方法

试验采用壁面压力测量、纹影、CH自发光、火焰自发光和OH-PLIF等非接触式光学测量手段来显示流场结构和火焰发展过程。纹影拍摄的曝光时间设置为4.62 μs，拍摄帧率为10 000 帧/s。CH自发光和火焰自发光拍摄帧率都设置为5000 帧/s，曝光时间均为0.2 ms。CH自发光可用于标记乙烯反应区。燃烧室上壁面布置了一系列压力传感器，用于记录燃烧室的沿程壁面压力。压力传感器(量程0～700 kPa)的灵敏度为1%。采用平面激光诱导荧光法(PLIF)得到火焰点火后的OH*分布情况，它可以用来表征燃烧存在的区域和火焰的位置信息，并为其提供一个定性指标。OH-PLIF系统的激光器采用哈尔滨工业大学研制的高重频大能量Nd:YAG固体激光器，激光重复频率为500 Hz，单脉冲激光能量30 mJ@532 nm，532 nm激光经泵浦染料激光器倍频输出283.553 nm激光，单脉冲能量为1.6 mJ，此波段激发光具有较低的温度敏感性。光路系统及相关测试方法在我们之前的工作中[2]已经进行过详细的说明。

2 结果讨论

2.1 整个燃烧过程讨论

在整个燃烧过程中,监测点(位于凹腔台阶下游71 mm处，图2中Preesure monitor所示位置)随时间变化的压力曲线如图3所示。图中还给出了先锋氢和乙烯的喷前压力信号，用于标记氢气和乙烯的喷注时间，并结合监测点的压力变化标示出各阶段的时间节点。

图3 燃料(氢气、乙烯)、加热器和监测点压力随时间的变化Fig. 3 Pressure of fuel (hydrogen, ethylene), heater and monitor point variation over time

火花塞共工作了2次，分别是在t=27.0 ms和127.0 ms时。工作2次是为了保证点火的效果，当出现第一次点火失败的情况，2种燃料混合后再进行一次点火，可以确保燃料被引燃。若第一次点火成功，则第二次点火对燃烧过程和流场结构几乎没有影响。由于火花塞放电的干扰，先锋氢和乙烯的喷前压力曲线上产生了2个较大峰值的干扰信号，可以用来标记点火时刻。当先锋氢开始注入燃烧室时，监测点的压力在t=0时开始缓慢上升，然后保持稳定，直到t=27.0 ms时先锋氢被火花塞成功点燃，监测点的压力才突然上升。此时监测点压力值p达到了较高水平，约为0.31 MPa，说明先锋氢点火成功。与此同时，可以看到乙烯的喷前压力也略有上升，这是由于氢气燃烧产生的压升影响到了乙烯的喷前压力所致。在t=100.0 ms时，监测点压力继续升高，这是因为乙烯喷注进入燃烧室，立刻被先锋氢成功引燃并和先锋氢共同燃烧,此时监测点压力p在整个燃烧过程中达到最高水平，约为0.35 MPa。混合燃烧过程中监测点压力略有下降，原因是乙烯刚开始喷注产生的过冲现象在稳定后被缓和。在t=207.0 ms时，先锋氢停止喷注，监测点压力大幅度下降，降至略高于无反应流的水平。此时虽然先锋氢已停止喷注，但乙烯依旧能够稳定燃烧。t=308.0 ms时，乙烯停止喷注，火焰才逐渐熄灭。虽然控制喷注乙烯的电磁阀关闭了，但在喷注孔和电磁阀之间存在一段长度约400 mm、通径为6 mm的金属软管，其中尚有余气，从图中可以看到，软管中的乙烯完全排放干净需要大约40.0 ms。

综上所述，整个燃烧过程可分为6个阶段，如表2和图3所示。第一阶段为先锋氢喷注进入燃烧室之前的无反应流，时间为t=-32.0～0 ms(Part 1)；第二阶段为先锋氢开始喷注后直到火花塞工作以前，用于显示氢气喷注时的流动特性，时间为t=0～27.0 ms(Part 2)；第三阶段用于描述氢气的燃烧过程，包括点火和火焰稳定，时间为t=27.0～100.0 ms(Part 3)；第四阶段为氢气和乙烯共同燃烧的过程，此时燃烧最剧烈，时间为t=100.0～207.0 ms(Part 4)；第五阶段阐述了乙烯的燃烧特性，当先锋氢停止喷注后，乙烯能够继续稳定燃烧，时间为t=207.0～308.0 ms(Part 5)；第六阶段是乙烯火焰熄灭过程直到试验结束，时间为t=308.0～398.0 ms(Part 6)。

表2 试验过程的描述Table 2 Description of the test process

第一至第五阶段的时均沿程壁面压力分布和发动机流道扩张面积曲线如图4所示。因第六阶段的沿程壁面压力和第一阶段差别不大，故没有在图中展示。虽然第三和第四阶段的壁面压力比其他几个阶段大得多，但这2个阶段之间的差异并不大，反压扰动的距离均约为0.2 m (图4中x=0.1 m处)，这是因为先锋氢的当量比(0.33)比乙烯的当量比(0.10)大很多，在混合燃烧过程中，相对较少的乙烯在喷注进入燃烧室后造成的反压增加效果相对不明显。

图4 各阶段上壁面中心线时均沿程压力分布Fig. 4 The average pressure distribution on the centre line of the stages

第一、第二和第五阶段的主要区别在凹腔部分，这是因为3个阶段的流场结构不同，下文会作详细分析。通过对比沿程壁面压力，给出了不同阶段压力大小的排序。压力从小到大依次是：第一阶段、第二阶段、第五阶段、第三阶段和第四阶段。由于第六阶段乙烯熄灭后的流场结构和第一阶段相同，故不再叙述。

2.2 第一和第二阶段的燃烧过程讨论

图5为第一阶段的试验纹影照片和数值模拟流线图。第一阶段为无反应流动，超声速气流经隔离段进入凹腔后，在前台阶的剪切层(A)以及凹腔内的低速区两者共同作用下，产生了一道斜激波(B)，这道斜激波在下壁面反射，并与边界层相互作用，产生了一个分离区(E)。高速气流通过分离区产生一道分离激波(C)，并与斜激波(B)相互作用。同时，在凹腔前部和后部会产生2个回流区(D、F)。

流场结构周期性振荡，本文条件下振荡频率约为400 Hz，流动振荡主要是凹腔造成的。在一个振荡周期内(2.5 ms)，分离激波(C)后高压使得激波向上游运动，此时激波上行。当激波继续上行至凹腔后部斜坡时，波后的高压与凹腔内的低速区域混合，压力降低导致激波减弱，分离区(E)也同时减弱，凹腔内低速区域扩展，形成通道，入口速度恢复正常，此时激波下行。

图5 第一阶段凹腔内的纹影图和计算流线图Fig. 5 The schlieren image and the streamline of cavity in the first stage

第二阶段的试验纹影图像如图6所示，它描述了先锋氢喷注的全过程。在t=0时，由于氢气的喷入，产生了一道激波(F)，在t=0.3 ms时，可以看到它先是通过下壁面反射进而与斜激波(B)相互作用，这是第二阶段的监测点压力略高于第一阶段的原因。与后3幅图像相比，除了在t=20.0 ms时图像中出现了一些水(H)以外，其余图像的流场结构基本没有发生变化。这是因为来流中含有高温水蒸气，在经过温度较低的玻璃窗时凝结成了小水滴，并顺着玻璃向下游流动，此现象对流场结构和燃烧过程几乎没有影响。

图6 第二阶段凹腔内的纹影照片Fig. 6 Schlieren images of cavity in the second stage

2.3 第三阶段的燃烧过程讨论

本节讨论先锋氢的点火和火焰发展过程，并使用纹影图像、火焰自发光图像以及OH-PLIF图像来更好地了解流场结构和火焰特性。如图7所示，将点火过程定义为从火花塞开始工作一直到壁面压力达到恒定水平的过程，点火过程历时约为26.0 ms(t=27.0～53.0 ms)。第三阶段整个过程的纹影图像如图8所示，燃烧稳定后流场结构变化不大，而点火过程中的流场结构有很大变化。火花塞工作时(t=27.0 ms)，可以看到一束强光(H)。先锋氢立刻被点燃，燃烧释热非常迅速，仅0.1 ms后，即t=27.1 ms时，流场结构便发生了很大变化。反射的激波(J)被压缩到接近下壁面，在燃烧区之下(红线以下)与下壁面之间来回反射。在t=27.2 ms时，因喷入氢气而产生的激波(F)开始被推入隔离段中，激波的形状发生了较大的变化，燃烧变得更加强烈，在t=29.0 ms时产生了一道“X”型的激波串(K)。激波串头部被推到隔离段出口上游0.04 m处仅用了2.0 ms(t=29.0 ～31.0 ms)，因此激波串的移动速度约为20 m/s。由于燃烧产生的反压不断增大，激波串在隔离段中不断向上游移动，最终在t=39.0 ms时超出观测范围。对比后3幅图像，在t=45.0 ms后，流场结构趋于稳定，纹影图像几乎没有变化。在t=85.0 ms时，可以看到纹影图像中产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)，表明在此阶段的燃烧非常强烈。

图7 第三阶段氢气点火过程Fig. 7 Hydrogen ignition process of the third stage

图8 第三阶段的纹影图像Fig. 8 Schlieren images of the third stage

图9为火焰的自发光图像，用于显示第三阶段过程中的火焰分布及其发展过程。在t=27.0 ms时，可以看到一束非常亮的光，此时火花塞点燃先锋氢。在t=29.0 ms时，火焰充满整个凹腔，之后火焰区域继续扩大，直到t=31.0 ms时，火焰接触到下壁面，而此时激波串也被推入隔离段内。火焰沿着下壁面向上游传播，来回振荡并且不稳定，当t=45.0 ms时又被推到了下游。对比后2张图可以发现，主燃烧区域还是在凹腔内，火焰非常明亮。和纹影图像对比来看，火焰形状的变化远远大于流场结构的变化。

图9 第三阶段火焰自发光图像Fig. 9 Flame luminosity images of the third stage

图10为OH-PLIF图像，用来描述化学反应的主要区域。在t=27.0 ms时，火花塞首先点燃了火花塞周围的氢气，在火花塞附近可以看到OH自由基信号。在2.0 ms后，当t=29.0 ms时，凹腔内充满了OH自由基信号。随着时间的推移，OH自由基信号变化不大，主要分布在凹腔内，稳焰模式为凹腔回流区稳定燃烧。

图10 第三阶段OH-PLIF图像Fig. 10 OH-PLIF images of the third stage

2.4 第四阶段的燃烧过程讨论

本节介绍先锋氢和乙烯在燃烧室中混合燃烧的特性。测量上增加了CH自发光图像，用于标记乙烯火焰的位置。第四阶段的纹影图像如图11所示，在t=100.0 ms时，可以清楚地看到凹腔内喷注乙烯所产生的喷射柱(L)。对比图9中t=85.0 ms时的纹影图像，在t=100.0 ms时凹腔内的流场结构变化不大。在此之后，燃烧变得更加强烈，激波串被推入隔离段内，在t=200.0 ms时超出观测范围。

图11 第四阶段的纹影图像Fig. 11 Schlieren images of the fourth stage

第四阶段的火焰自发光图像如图12所示。在t=100.0 ms时，凹腔内可见明显的强光(S)，乙烯火焰为白色，氢气火焰为黄色。对比接下来的3张图片可以发现，乙烯在注入燃烧室后立刻被点燃，这是因为先锋氢燃烧产生了较高的温度和压力，并且产生了一个低速区域，有利于乙烯燃烧。乙烯火焰存在于凹腔台阶下游附近的剪切层内，稳焰模式为凹腔剪切层稳定燃烧。由于乙烯的当量比远低于先锋氢，因此稳焰模式与先锋氢(凹腔回流区稳焰模式)有所不同。乙烯注入燃烧室后，2种气体混合燃烧更加剧烈，火焰扰入隔离段。第四阶段燃烧过程中CH自由基的自发光图像如图13所示。CH自由基是乙烯燃烧的中间产物，可以用来监测乙烯燃料的燃烧效率。在t=100.0 ms时，凹腔内可见少量CH自由基(R)，并沿凹腔剪切层向下游扩散，最终火焰位于凹腔剪切层内(S)，与t=100.0～200.0 ms时的火焰自发光图像分析得出的结果一致。

图12 第四阶段的火焰自发光图像Fig.12 Flame luminosity images of the fourth stage

图13 第四阶段的CH自发光图像Fig. 13 CH luminosity images of the fourth stage

2.5 第五阶段的燃烧过程讨论

当先锋氢在t=207.0 ms停止喷注时，由于乙烯比先锋氢的当量比小很多，因此监测点压力突然下降。可以看出，在图14中t=210.0 ms时，此前还在上游观测范围以外的激波串(M)回到了隔离段内。随着高速气流继续推动激波串向下游运动，在t=211.7 ms时激波串从隔离段中被推回到凹腔内。最后，在t=250.0 ms时，激波串消失，替换成了2道斜激波。其中一道斜激波(N)是乙烯注入高速气流而产生的；另一道斜激波(P)是乙烯燃烧产生的，因为燃烧释热将剪切层“抬进了”核心主流中，导致超声速气流流动通道变窄，从而产生了这道斜激波。

图14 第五阶段的纹影图像Fig. 14 Schlieren images of the fifth stage

第五阶段的火焰自发光图像如图15所示，由于先锋氢停止喷注，燃烧变弱。与隔离段中的激波串一样，火焰也在t=202.6 ms时从隔离段中被推回凹腔内。在t=203.0 ms时，靠近下壁面底部的火焰消失，主要分布在凹腔内和靠近上壁面处。最后，在t=250.0 ms时，火焰只存在于凹腔内。在此阶段，火焰区域变得越来越小，火焰的主色由黄色变为蓝色，乙烯火焰(S)在腔内的位置从上游往下游移动。

图15 第五阶段的火焰自发光图像Fig. 15 Flame luminosity images of the fifth stage

第五阶段燃烧过程中的CH自发光图像如图16所示。无论先锋氢是否停止喷注，乙烯的当量比均保持恒定，所以CH自由基的发光面积也不会发生变化。与图13相比，唯一的区别是CH自由基从靠近凹腔台阶的位置移动到靠近凹腔后部斜坡的位置，这与图15中火焰自发光图像的分析是一致的。图17中，OH自由基信号变化较大，变化率与CH自由基信号相比要大很多。先锋氢停止喷注前，OH自由基面积较大，在t=201.0和203.0 ms时主要分布在凹腔中后部和凹腔下游的上壁面。当t=241.0 ms时，乙烯单独燃烧，此时OH自由基仅由乙烯燃烧产生，因此，最终在t=251.0 ms时，OH自由基的面积变得很小，仅存在于凹腔的后部。

图16 第五阶段的CH自发光图像Fig. 16 CH luminosity images of the fifth stage

图17 第五阶段的OH-PLIF图像Fig. 17 OH-PLIF images of the fifth stage

3 结 论

采用试验的方法在来流马赫数Ma=2.0的条件下研究了以乙烯为燃料的直连式凹腔燃烧室的燃烧过程，结合壁面压力曲线、纹影图、火焰自发光照相和CH自发光图像以及OH-PLIF图像瞬态同步详细分析了氢燃料点火、氢与乙烯共同燃烧以及乙烯单独燃烧的流场结构和火焰发展过程。燃烧过程分6个阶段，第一阶段描述了先锋氢注入之前的无反应流动，试验测得流场结构周期性振荡的频率约为400 Hz。第二阶段描述了先锋氢被点燃之前的流动特性。第三阶段描述了氢气的燃烧过程，包括点火和火焰发展过程。第四阶段描述了氢气和乙烯的混合燃烧过程，此时燃烧最剧烈，当先锋氢停止喷注后，乙烯可以继续稳定燃烧。第五阶段描述了乙烯的燃烧特性。

本文研究重点关注以下3个方面：1) 无反应流动(第一阶段)的流场结构呈周期性振荡，本文条件下振荡频率约为400 Hz，这是超声速来流下凹腔燃烧室构型固有特性。2) 喷氢点火过程(第三阶段)，火花塞点火(t=27.0 ms)仅0.1 ms后，即t=27.1 ms时，流场与火焰结构发生剧变。燃烧非常强烈，2.0 ms内(t=29.0～ 31.0 ms)，激波串推动距离为0.04 m，移动速度约为20 m/s，显示了氢点火反应动力学的重大影响。3) 氢和乙烯混合燃烧及乙烯单独燃烧中，CH自由基是乙烯燃烧的中间产物，初步分析表明，乙烯的CH自发光图像可以用来判断其燃烧效率的高低。

上述整个燃烧流场的详细试验测量结果可为动态CFD计算与验证提供依据。