超声速气流中的点火启动及其强化机理研究

摘要

本文着眼于超燃冲压发动机燃烧室的点火启动过程，采用高速摄影、纹影、PIV等流场测量手段并结合数值模拟方法对超声速气流中的自点火、强迫点火过程的火焰生成、传播及其点火强化机制进行了系统研究。
　　首先，对高总温下的自点火初始火核形成和发展过程进行试验研究，对比分析了燃料种类、总温、激波强度、喷注压力、喷注距离、凹腔长深比、气流壅塞效应、燃料预混条件等多种因素对点火过程的影响。研究结果表明，点火延迟时间和停留时间之间的竞争关系决定了自点火的发生。提高来流总温、提高燃料喷注压力、引入入射斜激波、气流壅塞效应等措施有助于缩短点火延迟时间、提高燃料停留时间的流场作用机制均能够促进自点火火核的生成。自点火火核发展的动态过程表明，自点火火核生成的初始阶段由自点火机制所控制，由于气流的非定常特性，自点火火核无法在平板喷流条件下实现自稳定。凹腔回流区是稳态火焰建立的必要条件，其一方面为初始火核的传播营造低速环境，一方面为实现自持燃烧充当点火源。稳态燃烧建立后，凹腔驻留火焰形成的火焰传播以及向下游的对流掺混燃烧是火焰得以维持的主要机制。
　　其次，对局部激励下气态乙烯和液态煤油燃料的强迫点火过程进行了研究，并结合点火前流场特征的测量和数值模拟，对点火过程进行了分析。研究表明，凹腔角回流区是点火初始火焰形成的关键区域。点火能量在该区域累积建立凹腔角回流区火焰后，分别扩展形成凹腔驻留火焰，并向下游输运、掺混燃烧，最后在燃烧放热诱导产生的预燃激波串下形成对点火的压力正反馈。对于喷雾燃料，几种不同的火焰失效模式与喷注压力的大小密切相关，其直接决定了凹腔内的燃料浓度分布。喷雾燃料的点火范围较窄，其点火过程的建立更加依赖于预燃激波串对喷雾的蒸发、混合的促进作用。凹腔内未完全蒸发的小液滴在火焰传播过程中需要吸收大量的热，易导致火焰传播失效。采用提高火焰温度和强化下游掺混燃烧的办法能够改善火焰传播路径，提升点火性能。
　　再次，针对局部凹腔补氧下的喷雾点火强化技术进行了试验和数值分析，验证了补氧点火的有效性及其作用原理。试验发现，不同的补氧喷注方式下，凹腔内的火焰结构和强度特征呈现出不同的特点，补入适量的氧气能够弥补凹腔内空气质量交换率的不足，改善点火的浓度条件，提高点火性能。补氧点火机理是通过提高绝热火焰温度，促进火焰区域的液滴蒸发过程以保证火焰的顺利传播而实现的。同时计算结果表明，提高混合气中的氧气含量可减少对最小点火能量的需求。
　　最后，对引导火焰点火和热射流点火两种预燃火焰作用下煤油喷雾的强迫点火过程进行研究，对比分析了预燃激波串、预燃火焰的结构及其与喷雾轨迹的相互作用等因素对喷雾点火接力过程的影响。引导点火的火焰结构特征和燃烧强度特征对于引导点火具有重要的影响。强引导点火下除了高温火焰的热源作用外，点火的强化效应还来源于形成的预燃激波串对煤油喷雾的蒸发、混合的促进作用。对于热射流点火，热射流主要通过对喷雾液滴的掺混、蒸发过程的促进作用来强化点火性能的。凹腔驻留火焰由热射流和喷雾在下游的扩散燃烧形成初始火焰逆流传播形成。

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第一章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2点火基础研究进展

1.3超声速气流中的点火研究进展

1.4深入研究的内在需求

1.5论文结构及研究内容

第二章 试验系统与数值模拟方法

2.1试验系统

2.2 数值模型

2.3本章小结

第三章 自点火初始火核的生成发展机制

3.1研究方案

3.2氢气燃料的自点火

3.3乙烯燃料的自点火

3.4超声速气流中的自点火机理分析

3.5本章小结

第四章 局部高能激励下的强迫点火

4.1试验方案设计

4.2气态燃料的点火特性

4.3喷雾燃料的点火特性

4.5本章小结

第五章 补氧条件下的强化点火特性

5.1试验设计与分析方法

5.2局部补氧下的点火试验

5.3氧添加对点火影响的数值计算

5.4本章小结

第六章 预燃火焰引导下的点火过程

6.1试验方案设计

6.2引导火焰作用下的强迫点火特性

6.3射流火焰作用下的强迫点火特性

6.4本章小结

第七章 结论与展望

取得的主要研究成果

论文主要创新点

下一步工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果