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等离子体对燃气在补燃室中燃烧特性的影响
洪延姬, 张鹏, 沈双晏, 徐徐     
装备学院 激光推进及其应用国家重点实验室, 北京 101416
摘要: 为研究等离子体对多组分燃气在发动机补燃室中的助燃特性,建立了多组分燃气供给系统以及扩散燃烧实验模型。测量了等离子体炬的发射光谱,得到了等离子体炬的主要激发态粒子;拍摄了多组分燃气在补燃室的扩散火焰照片,得到了等离子体对多组分燃气的扩散火焰形貌的影响;测量了补燃室4个不同截面上的静压和总压,分析了等离子体对多组分燃气在发动机中燃烧效率的影响。实验结果表明:等离子体炬主要产生氮气和氧气的激发态粒子;加入等离子体后,喷出冲压尾喷管的火焰长度得到进一步缩短,说明等离子体可以在更短的燃烧室长度内使得多组分燃气得到更加充分的燃烧;加入等离子体时,补燃室不同截面的静压和总压都会出现突升台阶,说明等离子体可以加快燃气的化学反应速率,提高多组分燃气在发动机中的燃烧效率,且等离子体功率越高,燃气燃烧效率的增长率越高。
关键词: 等离子体炬     补燃室     扩散火焰     燃烧效率     光谱分析     甲烷    
Effect of plasma on combustion characteristic of fuel gas in afterburning chamber
HONG Yanji, ZHANG Peng, SHEN Shuangyan, XU Xu     
State Key Laboratory of Laser Propulsion & Application, Equipment Academy, Beijing 101416, China
Received: 2016-02-29; Accepted: 2016-04-15; Published online: 2016-06-22 17:55
Foundation item: National Natural Science Foundation of China (11372356)
Corresponding author. HONG Yanji, E-mail:hongyanji@vip.sina.com
Abstract: In order to study the influence of plasma on the combustion characteristic of multicomponent fuel gas in the ramjet chamber, a multicomponent fuel gas supply system and a diffusion combustion experimental model based on the ramjet, which can exclude the mixing effect of intake air on the fuel gas, are designed and built. The main active particles produced by discharge plasma torch are analyzed with emission spectrometry; the flame combustion photos of multicomponent fuel gas is taken to analyze the influence of plasma on the flame shape; the total pressure and static pressure on four different cross sections of the afterburning chamber are measured to analyze the combustion efficiency of fuel gas under the influence of plasma. The results show that the main excited particles of N2 and O2 are generated with excitation of plasma; under the active particles of plasma, and the flame length in the scramjet nozzle becomes shorter, which means that multicomponent fuel gas can burn more completely with plasma; the abrupt increase in the total pressure and static pressure appears when plasma is working, which shows that the combustion efficiency of multicomponent fuel gas in the ramjet increases with plasma too, and the combustion efficiency increases with the growth of discharge plasma power.
Key words: plasma torches     afterburning chamber     diffusion flame     combustion efficiency     spectrum analysis     methane    

通常燃气在冲压发动机燃烧室内的滞留时间非常短,燃气存在燃烧不充分、燃烧效率低等问题,而等离子体的化学动力学效应,通过生成的氧原子、臭氧等活性粒子,改变燃气点火燃烧过程的化学反应路径,拓宽熄火极限,提高化学反应速率,实现燃料高效燃烧,因而成为近年来的研究热点[1-3]

1983年,Inomata等[4]实验指出等离子体助燃在火焰传播速度、燃烧极限和燃烧效率等方面具有明显的增强效应。2007年,Vincent-Randonnier等[5]通过分析发生光谱,指出等离子体可以加快碳氢燃料转化成H2以及C2等活性粒子。2009年,Leonov等[6-7]实验研究了等离子体增强超声速燃烧,提出等离子体诱导点火、增强混合和保持火焰3种机制控制燃烧。2010年,Starikovskaia[8]建立了等离子体简化模型,较准确地描述了等离子体点火过程。2010年,Do等[9-11]研究了纳秒脉冲放电等离子体对超声速气流的火焰稳定问题,OH基的PLIF测量结果表明,等离子体可以缩短点火延迟时间50%。2011年,Sun等[12-13]在实验研究基础上,指出等离子体在较低气压下通过激励多级反应可以起到助燃的效果。2013年,Matsubara等[14]对不同放电形式等离子体在超声速气流中的助燃效果进行了实验对比,结果表明介质阻挡放电产生的化学动力学效应在燃烧极限附近可以增强高速气流的火焰稳定性。2014年,Aleksandrov等[15]建立了等离子体助燃的反应动力学模型并进行了数值模拟研究,其中助燃对象为H2、CH4-C5H12等碳氢燃料。2015年,在Starikovskiy和Aleksandrov[16]研究基础上,Ju和Sun[17]对等离子体助燃近年来的研究进行了较为全面的评述。

国内的相关研究主要集中在理论和数值研究上[18-19],等离子体应用于发动机的研究相对较少,主要研究的是等离子体点火特性。2012年,韦宝禧等[20]实验研究了热等离子体点火器在超燃冲压发动机中的应用,表明等离子体可以缩短点火延迟时间,扩大着火范围,增加贫燃极限。2013年,于锦禄等[21]实验研究了瞬态等离子体点火起爆脉冲爆震发动机的可行性,表明等离子体具有更大的点火面积。2014年, 宋慧敏等[22]实验研究了射频放电等离子体的气动激励特性。2015年,何立明等[23-24]实验测量了等离子体射流点火器的发射光谱,研究了介质流量和电流对多个自由度温度的影响。

本文利用固体火箭冲压发动机试验台,建立了扩散燃烧实验模型,将固冲发动机一次燃气的主要气相组分作为研究对象,并将等离子体炬的工质气体设计为旋转喷射形式,从而降低等离子体炬的热效应,增加等离子体炬的化学动力学效应,通过测量等离子体发射光谱特性、多组分燃气的燃烧火焰形貌以及发动机的燃烧效率等,分析等离子体的助燃特性。

1 实验 1.1 实验系统

实验发动机是在固体火箭冲压发动机模型基础上改造而得,主要包括燃气发生器模拟器、进气道、补燃室和冲压喷管等部分。多组分燃气经燃气供给系统进入燃气发生器模拟器,形成高压后经燃气发生器模拟器喷嘴进入补燃室,与进气道的来流空气在补燃室发生剧烈燃烧,最后经冲压喷管排出。为重点研究等离子体对燃气的化学效应,弱化来流空气的掺混效应对实验结果的影响,将经煤油加热后的来流空气设计为经过平行进气装置,来流空气得到整流与多组分燃气平行进入补燃室。为便于观察等离子体炬和燃烧火焰形貌,补燃室结构采用的不是圆柱体,而是长方体(横截面为正方形,100 mm×100 mm),长尾管内的喷管喉径为3 mm,冲压喷管的喉径为36 mm,整个实验系统的示意图如图 1所示。

1-燃气发生器模拟器;2-长尾管;3-平行进气装置;4-观察窗;5-补燃室前端;6-补燃室后端;7-冲压喷管;8-等离子体炬;9-来流空气入口;10-多组分燃气供给系统。 图 1 实验系统总体模型 Fig. 1 Overall model of experimental system

多组分燃气在燃气发生器模拟器中达到预定的压强后,经过长尾管喉径3 mm的喷管进入补燃室,与空气混合后经等离子体炬点火燃烧。等离子体炬在燃气燃烧过程中可以进一步促进多组分燃气的燃烧,多组分燃气供给系统如图 2所示。需要指出的是,在多组分燃气燃烧的整个过程中,都会有流量不变的工质气体从等离子体炬出口射入发动机补燃室,等离子体的加入与断开并不影响工质气体对扩散燃烧剪切层的作用。

图 2 多组分燃气供给系统 Fig. 2 Multicomponent fuel gas supply system

将固冲发动机补燃室从前至后分为4个测量实验段,如图 3所示,主要采集燃气发生器模拟器静压、补燃室4个不同截面的总压(如标识3, 4, 9, 10)、静压(如标识1, 6, 7, 12) 和温度(如标识2, 5, 8, 11) 以及来流空气的静压和温度等参数,数据采样频率为1 000次/s。总压的测量是将压力传感器的探头伸入补燃室内,开口朝向多组分燃气出口,从而在压力传感器探头内形成滞止压强。光谱仪采用美国ARC公司的SpectraPro-500 i,分辨率为0.05 nm,线色散倒数为1.7 nm/nm,定位精度为±0.2 nm,光栅为1 200 g/mm,重复精度为±0.05 nm,光谱单色仪出口狭缝装有记录束箔光谱的CCD,提高了弱谱线跃迁的分辨率。

图 3 补燃室不同截面的测量装置 Fig. 3 Arrangement of measuring equipment on different sections of afterburning chamber
1.2 实验数据处理方法

1.2.1 燃烧效率

燃烧效率是发动机的一个重要参数,反映了多组分燃气在发动机中的燃烧特性,本文判断等离子体的助燃效果是通过实验得到燃气在加入等离子体前后的燃烧效率。在固冲发动机中计算燃烧效率的方法有很多,其中特征速度的实验测量比较容易实现,且误差较小,所以本文采用特征速度计算燃烧效率。

燃烧效率定义为

(1)

特征速度定义为

(2)

式中:Ctheo*为理论特征速度;Cexp*为实验特征速度;Ac为尾喷管的喉部面积;Pc平均*为实验过程中补燃室的平均总压;为气流经过尾喷管喉径的质量流量。

1.2.2 重要参数及计算说明

1) 多组分燃气的质量流量为0,来流空气的质量流量为g,等离子体炬中工质气体的质量流量为plasma

2) 未加等离子体的工作时间为t0,加入等离子体的工作时间为tp

3) 燃烧室在时间t0内的工作压强曲线积分平均,得到未加等离子体的平均压强p0

4) 燃烧室在时间tp内的工作压强曲线积分平均,得到加入等离子体后的平均静压Pc平均,平均总压Pc平均*

5) 根据实验测得来流空气的总温T*和总压P*以及限流喉道直径18.3 mm,面积Ag=263 mm2,计算来流空气的质量流量为常数,对于燃气取0.039 6,对整个实验过程中的空气质量流量积分后再取平均值,从而得到来流空气的质量流量。

6) 利用CEA软件计算理论特征速度Ctheo*,输入参数为燃气组分和质量流量、来流空气的质量流量以及补燃室的压强和温度等。

1.2.3 实验初始条件

模拟实际飞行状态下的来流进气状态,将来流系统的技术指标设定为:高度为10 km,飞行马赫数为2.8,空气质量流量为0.200 kg/s,温度为580 K,总压为0.490 MPa。综合考虑实验要求和安全性,将多组分燃气的质量流量设定为0.010 kg/s,空燃比为20;等离子体有效功率为5 kW。

多组分燃气组分采用某含硼富燃料推进剂在相同压强下实验测得的一次燃烧产物主要气相组分,如表 1所示,总热值为48.2 kJ/g。

表 1 一次燃气的主要气相组分 Table 1 Major gas phase components of primary combustion products
组分 H2 N2 CH4 CO 其他
体积比/% 54 16 22 5 3

燃气发生器模拟器喉部采用拉法尔喷嘴设计,用于控制多组分燃气的质量流量,喉部直径3 mm,根据设定的多组分燃气质量流量,通过式(3) 可以得到燃气发生器模拟器中的压强。

(3)

式中:0为多组分燃气质量流量,kg/s;K对于燃气取0.039 6;At为喉部面积,mm;pt为燃气发生器模拟器中的压强,MPa;Tt为燃气温度,文中取298 K。

2 实验结果 2.1 模拟来流空气结果

模拟来流空气主要参数的精确稳定控制,可以排除外界因素的干扰,在相同实验条件下研究加等离子体前后的燃烧状态,保证实验结果的准确性。因此,需要精确地控制来流控制的温度、压强和质量流量。利用煤油燃烧加热空气,并通过温度、压强和喉径确定来流空气的质量流量。

来流参数的实验结果表明,来流空气的温度、压强和质量流量的平均值分别为580.5 K、0.490 MPa和0.216 kg/s。来流空气的温度、压强和质量流量值在实验过程中的浮动量没有超过1%,从而可以排除来流空气参数的变化量对多组分燃气燃烧过程的影响。

2.2 等离子体光谱分析

等离子体的助燃特性是指高能电子与中性粒子碰撞,发生激发、离解甚至电离等反应,生成大量活性粒子(如自由基、带电离子、激发态分子和原子等),加快化学反应速率,提高燃气的燃烧效率。文中采用的等离子体形式为等离子体炬,等离子体炬照片如图 4所示。

图 4 等离子体炬放电照片 Fig. 4 Plasma torch discharge photo

发射光谱是测量和诊断活性粒子的主要手段之一,工作原理为被激发的高能态的分子、原子和离子团等向低能态跃迁时以辐射形式释放多余的能量,包括光辐射和热辐射等。本文中等离子体放电功率为5 kW,将光纤探头对准等离子体炬的弧柱位置,得到如图 5所示的等离子体的发射光谱特性,其中光谱仪的积分时间为1 ms。

图 5 等离子体炬的发射光谱 Fig. 5 Emission spectrometry of plasma torch

图 5可以看出,发射光谱主要表现为热辐射和化学荧光辐射,说明等离子体炬同时具有热效应和化学反应动力学效应;光化学荧光辐射主要为原子和激发态分子的特征谱线,包括氮气第一正带系N2(B3g-A3u+) 的谱线537.2 nm,氮气第二正带系全部谱线,OI原子谱线777.2 nm,OⅡ原子谱线441.6 nm,氧原子的其他谱线532.9、543.3 nm等,以及带电粒子O2+、N2+、激发态粒子N2(A3)、N2(B3)、N2(C3) 和自由基CH、C、C1、C2和C3等,这些活性粒子会随着放电功率的增加而增多,对燃气的点火和燃烧过程起着重要作用;另外,还表现出波长范围很宽(450~1 000 nm) 的热辐射光谱,体现等离子体的热效应。

2.3 燃烧火焰分析

在多组分燃气燃烧过程中,对补燃室4个窗口和冲压喷管尾部进行拍摄,得到如图 6所示火焰照片。图 6(a)为加入等离子体后的火焰照片,图 6(b)为未加等离子体时的火焰照片。可以看出,未加等离子体时,尾部火焰长度较长,燃烧效率较低;加入等离子体后,发动机尾部火焰长度明显缩短。等离子体由于含有大量的活性粒子,可以加快化学反应速率,从而在较短的时间内使甲烷等较难燃烧的组分开始燃烧,提高了多组分燃气整体的燃烧效率。

图 6 多组分燃气燃烧火焰 Fig. 6 Multicomponent fuel gas combustion flame

在实验过程中,等离子体炬的工质气体为空气,控制质量流量为0.002 kg/s,与平行进气的来流空气质量流量0.216 kg/s相比,工质气体造成的掺混效应可以忽略,并且等离子体的加入与断开并不影响工质气体的工作流量。所以,在实验过程中一直存在工质气体对剪切层混合过程的作用,对比实验结果可以排除等离子体工质气体射流造成的掺混作用,说明等离子体对燃气的助燃作用。

2.4 实验参数测量结果

多组分燃气供给系统将多组分燃气输送到燃气发生器模拟器,经流量控制器和声速喷嘴共同控制燃气质量流量,压力传感器可以测量到燃气发生器模拟器中的压强变化曲线,当达到设计压强后开始记录数据,结果如图 7所示。模拟装置中多组分燃气的压强基本保持不变,平均压强为0.704 MPa,工作时间约60 s,其中噪声数据是由等离子体引弧放电造成的。

图 7 燃气发生器模拟器中的压力曲线 Fig. 7 Pressure curve of fuel gas generator simulator

多组分燃气在扩散燃烧过程中补燃室4个不同截面上平均静压Pc平均和平均总压Pc平均*图 8所示。在数据记录的前10 s,燃气进入补燃室未进行点火,所以补燃室静压和总压都基本保持在一个大气压;等离子体点火瞬间补燃室压强骤升,等离子体保持开启,则补燃室总压基本保持在0.158 MPa,而断开等离子体瞬间,补燃室静压和总压都出现突降台阶,基本保持在0.139 MPa (多组分燃气燃烧不充分),压力突降0.019 MPa,降低约12.03%。开启和关闭等离子体为1个工作周期,共进行3个工作周期,由图 8可以看出,补燃室静压和总压的变化规律基本相同,说明等离子体可以提高发动机的工作压强,经计算特征速度可知,等离子体可以提高气相的燃烧效率。

图 8 补燃室的平均静压和平均总压曲线 Fig. 8 Average static and total pressure curves of afterburning chamber
2.5 数据处理与结果分析

数据处理实验中补燃室的平均总压值Pc平均*(如图 8(b)所示的变化曲线)、实验重要参数和数据处理结果值如表 2所示,其中,加入与断开等离子体时补燃室的总压值取3个工作周期的平均值。

表 2 实验结果分析 Table 2 Experimental result analysis
g/(kg·s-1) air/(kg·s-1) piasma/(kg·s-1) 空燃比 总压/MPa Ctheo*/(m·s-1) Cexp*/(m·s-1) ηC*/%
加入 断开 加入 断开 加入 断开
0.01 0.216 0.002 21.8 0.158 0.139 996.1 709.1 623.8 71.19 62.62

可见,在该实验模型和实验条件下,空燃比为21.8时,加入等离子体后可以加快多组分燃气的化学反应速率,发动机补燃室的总压由0.139 MPa增加到0.158 MPa,相应的实验特征速度由623.8 m/s增加到709.1 m/s,而此工况下的理论特征速度为996.1 m/s;计算得到对应的燃烧效率由62.62%增加到71.19%,所以等离子体可以提高燃气的燃烧效率8.57%,释放的能量增加值(41 kW) 与等离子体能量输入值(5 kW) 的比值为8.26,说明等离子体除可以作为能量源外,还具有化学效应,提高活性粒子浓度,加快燃气化学反应速率。

多组分燃气在此工况下燃烧效率较低的原因是:①多组分燃气在补燃室的滞留时间很短,在补燃室内不能充分燃烧;②来流空气设计为平行进气,来流空气的掺混作用很小,多组分燃气与空气不能充分混合完全燃烧,降低了发动机的燃烧效率。但由于本文是在同等实验条件下研究等离子体的助燃特性,由系统设计带来的较低燃烧效率并不影响等离子体的助燃效果,反而排除了掺混效应所带的实验条件和结果的不稳定性,更可以突出等离子体的助燃作用。

相同实验工况下,改变等离子体的放电功率进行了5次实验,研究等离子体功率对多组分燃气在发动机中燃烧效率的影响。

定义增长的燃烧效率为

(4)

式中:ηplasma为若干放电功率下燃气的燃烧效率;η0为未加入等离子体时燃气的燃烧效率。实验结果如图 9所示。

图 9 等离子体放电功率对多组分燃气在发动机中燃烧效率的影响 Fig. 9 Effect of plasma discharge power on combustion efficiency of multicomponent fuel gas in ramjet

可见,提高放电功率可以增加高能电子的浓度,高能电子与其他粒子经过一系列反应产生更多活性粒子参与多组分燃气的燃烧过程。放电功率范围为3~10kW,多组分燃气增加的燃烧效率范围为3.3%~10.1%,燃气释放能量的增加范围为15.89~48.64 kW。

3 结论

本文主要建立了在发动机上研究等离子体影响多组分燃气燃烧特性的实验系统,拍摄了燃烧火焰照片,测量了燃气发生器模拟器的压强、补燃室的静压和总压,分析了等离子体对多组分燃气燃烧效率的增强效果,得到主要结论如下:

1) 来流空气的温度、压强和质量流量值在实验过程中的浮动量没有超过1%,分别为580.5 K、0.490 MPa和0.216 kg/s,满足实验工况对来流空气的要求。

2) 从补燃室燃烧火焰的照片可以看出,加入等离子体后多组分燃气火焰更加明亮和稳定,冲压喷管尾部火焰长度变短,说明等离子体可以加快化学反应速率,缩短燃烧时间,提高多组分燃气的燃烧效率。

3) 在多组分燃气的燃烧过程中,添加等离子体炬可以使补燃室的总压由0.139 MPa增加到0.158 MPa,总压突升0.019 MPa,增加约12.03%;使多组分燃气在发动机中的燃烧效率由62.62%增加到71.19%,燃烧效率提高8.57%,燃气释放能量的增加值与等离子体能量输入值的最大比值约为8,说明等离子体除能量源外还可以提高活性粒子浓度,加快燃气化学反应速率,提高燃烧效率。

致谢    

感谢西北工业大学冯喜平副教授在实验过程中给予的指导和帮助。

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http://dx.doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0146
北京航空航天大学主办。
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洪延姬, 张鹏, 沈双晏, 徐徐
HONG Yanji, ZHANG Peng, SHEN Shuangyan, XU Xu
等离子体对燃气在补燃室中燃烧特性的影响
Effect of plasma on combustion characteristic of fuel gas in afterburning chamber
北京航空航天大学学报, 2017, 43(2): 233-239
Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronsutics, 2017, 43(2): 233-239
http://dx.doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0146

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收稿日期: 2016-02-29
录用日期: 2016-04-15
网络出版时间: 2016-06-22 17:55

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