中智科仪助力研究航空发动机旋流燃烧室中滑弧等离子体点火特性
导读：随着技术进步，对高性能航空发动机的需求增加，航空发动机点火问题对于飞行器的安全和稳定变得尤为重要。空军工程大学张磊等研究了滑弧等离子体在旋流燃烧室中的点火特性，以期提高发动机的点火能力和稳定性。成果以“Characterization of gliding arc plasma ignition in aeroengine swirl combustion chamber”为题，发表于期刊“Physics of Fluids”。
研究背景
燃烧室是航空发动机的核心部件之一。燃烧室的点火特性直接限制了飞机的安全和稳定工作范围。因此，燃烧室必须被设计为确保航空发动机在尽可能宽的范围内具有可靠的点火能力。随着技术进步，对高性能发动机的需求增加，点火问题变得尤为重要。传统电火花点火器能量提升有限，无法满足需求，因此研究者探索了等离子体增强燃烧技术。
滑弧等离子体作为一种新型点火技术，具有低能耗、高效率等优点，有望改善航空发动机的点火性能。本文研究滑弧等离子体在旋流燃烧室中的点火特性，以期提高发动机的点火能力和稳定性。
实验装置及方法
研究小组搭建了一套旋流燃烧室滑弧等离子体点火实验平台，如图1所示，平台由气体供应系统、燃料供应系统、单头旋流模型燃烧室实验段、滑弧点火系统、电火花点火系统、测量和诊断系统以及时序控制系统组成。
气体供应系统包括螺杆式空压机、压力稳定罐、冷干机和流量控制器，确保气体压力和流量的稳定供应。燃料供应系统为自主设计的压型燃料供应系统，通过齿轮流量计精确控制燃料流量，并最终通过喷嘴注入燃烧室。模型燃烧室实验段为矩形单燃烧穹顶旋流燃烧室，两侧设有观察窗，装有耐高温的光学石英玻璃，便于观察燃烧室内的火焰发展和点火情况。滑弧点火系统由滑弧等离子体燃烧穹顶(图2)和滑弧驱动电源组成，利用文氏管(正极)和燃烧穹顶的燃料喷嘴(负极)产生等离子体电弧。电火花点火系统包括点火装置、点火喷嘴和点火电缆，使用先进低压电容器作为能量存储系统，单次火花能量为6J，频率为10Hz。
图1实验装置示意图
图2 滑弧等离子燃烧室穹顶结构
实验在一个实验室规模的非预混甲烷燃烧系统中进行，如图1所示。系统配备了可更换的IFGR喷嘴结构。IFGR喷嘴由五个主要部件组成：燃料管、还原空气管、烟气管、90度钝体和30度旋流器。还原空气管包含一个比空气入口小的空气出口，以增加空气出口附近的流速并实现再循环。
实验通过改变IFGR喷嘴结构(图2)和全局当量比Φ进行。全局当量比定义为表征燃料-空气比的参数。
使用两个质量流量控制器控制燃料流量和空气流量。使用两个齐平安装的麦克风收集压力振荡的变化。使用光电倍增管和带通滤波器测量火焰CH*化学发光发射。使用搭载带通滤波器和像增强器(EyeiTS-S-HQB-F)的高速摄像机捕捉火焰的CH*自由基发射。
所有实验条件下的热负荷保持在4.5KW。实验中使用了多个测量工具以收集和记录燃烧过程中的各种数据。
实验结果
图3 伪彩处理前后的火焰图像
图3及其相关实验结果展示了伪彩色处理在火焰图像分析中的应用。该技术通过设置图像增强器增益值至1500，以增强C2基团的弱发射信号，并使用高速摄像机以2500fps采集图像。为提高化学发光信号的准确性，采用515nm波段滤波器减少背景辐射干扰。数据处理包括去噪、灰度处理和伪彩色转换，以便更清晰地分析火焰内核传播。亮度值被设定为0(黑色)至1(深红色)的伪彩色表示，帮助研究人员优化滑弧等离子体点火技术。这些方法使得火焰特性的观察和分析更为精确，对理解和改进航空发动机点火过程至关重要。
以下两幅图对比了电火花点火与滑弧点火的燃烧室点燃过程的演化图像。
图4 展示了电火花点火情况下C2基团的投影面积及其发展过程。(a) 标记了与图(b)相对应的发展阶段。(b) 展示了在进气速度为10 m/s、进气温度为30℃、过量空气系数为2的条件下，电火花点火过程中C2基团投影面积随时间的变化以及相应的图像。
通过分析C2基团投影面积的变化，可以将电火花点火过程划分为五个阶段：第一阶段，投影面积比例维持在接近零，表示原始火焰核形成并开始向燃烧穹顶的回流区传播;第二阶段，投影面积迅速增长并达到峰值，火焰核在这一阶段形成并迅速扩展。第三阶段，投影面积在其峰值附近波动，表明强烈的燃烧过程;第四阶段，投影面积迅速下降，由于回流区内火焰的脱落，标志着燃烧衰减阶段;第五阶段，火焰投影面积在小范围内波动，表示稳定燃烧阶段。
图4 电火花点火情况下C2基团的投影面积及其发展过程
图5展示了滑弧点火过程中C2基团的投影面积及其发展情况。除点火条件外，其他参数与图4相同。
滑弧点火过程同样被划分为五个阶段，每个阶段的特征如下：第一阶段，投影面积比例维持在接近零，表示滑弧放电开始时立即在燃烧穹顶的回流区形成火焰核，但面积和发射强度在一段时间内没有显著变化;第二阶段，投影面积比例迅速增长，火焰核在这一阶段稳定并迅速扩展到燃烧室的回流区;第三阶段，投影面积在其峰值附近波动，表明燃烧室内的燃料不完全燃烧并继续进行化学反应;第四阶段，投影面积迅速下降，由于回流区内火焰的脱落，标志着燃烧强度的减弱;第五阶段，火焰投影面积在小范围内波动，但C2基团的发射强度几乎保持不变，表示燃烧过程已经稳定。
图5 滑弧点火过程中火焰核的发展情况
图5展示了滑弧点火过程中火焰核的发展情况。在4.0ms时，燃烧穹顶处的火焰核开始扩展;到4.8ms时，火焰核显示出分裂的迹象。在燃烧室下壁回流区附近分裂出较小的火焰核FK2，如图中4.8ms时的白色圆圈所示;在6.8ms时，燃烧室下壁回流区附近的火焰核发射强度显著增加。同时，在上壁回流区附近也分裂出发射强度更强的另一个火焰核FK1。上壁回流区的火焰核面积和发射强度比下壁回流区的火焰核更强;在8.4ms和10.8ms时，主火焰核(MFK)边缘不断分裂出新的零星火焰核，这些分散的火焰核含有滑弧放电的剩余能量和活性粒子，被补充到FK1和FK2中，为它们的扩展提供能量。
通过展示不同时间点火焰核的变化，结合电火花点火与滑弧点火过程中C2基团的发展图像对比，揭示了滑弧点火过程中火焰核的传播和分裂机制，这对于理解滑弧点火技术在航空发动机燃烧室中的应用至关重要。
总结
本文研究了滑弧等离子体在航空发动机燃烧室中的点火特性，通过实验平台和火焰成像技术，分析了滑弧点火的五个阶段：火焰核稳定、扩展、强烈燃烧、衰减和稳定燃烧。与电火花点火相比，滑弧点火能显著缩短点火延迟时间(最多81.53%)并扩大点火边界(最多115.9%)。研究发现，滑弧点火形成的稳定点火源富含活性粒子和高能电子，使火焰核更接近燃烧穹顶且分布更集中。此外，滑弧点火改善了燃料雾化，降低了化学激活能，从而提高了点火性能。研究结果表明，滑弧点火在提高航空发动机燃烧室点火可靠性和性能方面具有显著优势。
论文链接：
https://doi.org/10.1063/5.0241143
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