含硼富燃燃氣燃燒實驗研究①

馮喜平，徐 剛，任全彬，劉 洋

(1.西北工業大學燃燒、熱結構與內流場重點實驗室，西安 710072;2.中國航天科技集團公司第四研究院，西安 710025)

含硼富燃燃氣燃燒實驗研究①

馮喜平1，徐 剛1，任全彬2，劉 洋1

(1.西北工業大學燃燒、熱結構與內流場重點實驗室，西安 710072;2.中國航天科技集團公司第四研究院，西安 710025)

為實現固沖發動機二次燃燒模型驗證，結合固沖發動機工作條件，設計了一種帶透明觀察窗燃燒實驗裝置;營造了簡單的燃燒環境，實現了燃燒過程摻混作用的弱化;借助高速攝像進行了以空氣速度作為單一變量的含硼富燃燃氣燃燒可視化測量，獲得了火焰形態結構;采用高速數據采集，獲得了燃燒室壓力;將實驗數據與數值模擬結果進行了對比和分析。結果表明，燃氣與空氣速度相近時，火焰呈錐角結構，硼粒子的點火距離較長;燃氣與空氣速度差較小時，同一位置燃燒室壓力較大;燃氣與空氣速度近似程度決定火焰的形態;數值模擬結果與實驗結果基本吻合。

硼粒子;透明觀察窗;高速攝像;點火距離

0 引言

為提高能量特性，固沖發動機多采用含硼推進劑。在固沖發動機二次燃燒中，氧化劑為空氣，燃燒劑為含硼粒子的燃氣，二者通過獨立通道進入二次燃燒室進行燃燒，其燃燒過程由氣相燃燒和凝相燃燒共同組成，燃燒屬于非預混氣固兩相燃燒。

對于純氣相的非預混燃燒，國內外學者已經做了大量研究。甘云華等［1］拍攝并對比了液體乙醇的自由射流和受限射流火焰結構，獲得了不同條件下的火焰形態。Moore J D等［2］研究了甲烷和氧氣的火焰穩定性，獲得不同形態的火焰結構，并給出了火焰形態與氧燃比、氧氣、燃氣雷諾數等參數之間的影響關系。顧欣等［3］等對甲烷和氧氣的濕空氣鈍體火焰結構穩定性進行了研究，利用粒子測速儀(PIV)完成了冷流PIV實驗，拍攝了火焰形態。惠鑫等［4］對合成氣稀釋燃燒火焰進行了實驗和數值研究，通過對火焰形態的觀測和對出口產物組分的測量，研究了燃料稀釋對火焰形態、火焰穩定性及出口產物的影響。Roquemore W M等［5］研究了不同燃氣和空氣質量流率下的火焰結構，觀測到燃燒室下游區域的“火球”。

對于氣固兩相流非預混燃燒，實驗方面的研究成果相對較少。Ciezki H K等［6］拍攝了含硼推進劑藥塊在臺階突擴補燃室中的燃燒狀況，并利用激光多普勒測速儀(LDV)，獲得了燃燒室中顆粒相的速度分布。Gany A等［7］采用高速攝像技術，觀測到固體燃料發動機二次燃燒室中含硼推進劑表面的燃燒火焰，發現金屬顆粒以大片狀從推進劑表面脫落。

對于固沖發動機中的二次燃燒，研究者進行了大量理論和實驗研究，取得了許多成績，獲得了不同結構參數、不同來流參數、不同一次噴射參數對發動機性能的影響規律，獲得了通過強化空氣與一次燃氣的摻混提高二次燃燒效率的方法。由于固沖發動機二次燃燒過程的復雜性，研究者普遍存在對燃燒機理認識不足、理論計算中燃燒模型選擇困難、實驗結果與模擬結果差異較大等問題。針對上述問題，本文通過實驗方法開展研究工作，努力通過模擬結果與實驗結果對比，來修正和改進二次燃燒燃燒模型。

1 實驗系統

實驗原理如圖1所示。進氣模擬系統用于實現來流空氣進氣條件;燃氣發生器用于產生富燃燃氣;實驗發動機是研究主體，用于進行燃燒實驗;測量裝置用于實驗過程參數測量;火焰拍攝裝置用于燃燒火焰形態測量。

圖1 實驗系統示意圖Fig.1 Schematic of experimental system

1.1 進氣模擬系統

采用西北工業大學固體火箭沖壓發動機進氣模擬系統，實現來流空氣的流量控制、溫度模擬和壓力模擬。實驗系統各部分功能如下:電動截止閥用于實現管路氣體的關斷;減壓閥用于實現壓縮空氣減壓;過濾器用于實現空氣的過濾;流量孔板用于進行流量測量;調節閥用于進行流量調節;加熱器用于實現來流的溫度模擬。進氣模擬工作原理為存儲于高壓氣罐中的高壓空氣(6.0 MPa)通過過濾器實現空氣品質控制后，由電動截止閥實現流動過程控制;空氣進一步經減壓閥實現穩定減壓后，為來流模擬提供滿足條件的氣體源頭;減壓后的空氣經空氣加熱裝置加熱后，實現來流的溫度模擬;加熱后的空氣經穩流裝置整流為實驗所用進氣條件。進氣模擬參數測量與控制，通過設備自帶的參數測量與控制系統完成。

1.2 實驗裝置設計

如圖2所示，實驗裝置主要由燃氣發生器、二次燃燒室、空氣進氣條件控制裝置和尾噴管等組成。為了能同時用于冷、熱態實驗，便于測量和安裝，二次燃燒室采用模塊化二維開窗設計，橫截面為正方形。燃燒室前、后和上、下均設計有觀察窗;在需要位置布設測壓孔，便于壓力信號的采集;在上下觀察窗位置安裝玻璃組件用于PIV片光源的射入，進行冷態實驗。進行火焰拍攝時，觀察窗安裝12 mm厚的石英玻璃，外部再敷設一層10 mm厚的有機玻璃，便于高速攝像系統圖像采集。

圖2 燃燒實驗裝置結構圖Fig.2 Composition of diffusion combustion facility

實驗裝置工作原理為含硼推進劑在壅塞式固體燃氣發生器中燃燒，產生富燃燃氣;該燃氣經過喉部達到聲速后，經由擴張段產生的正激波降速為亞音速后，由長尾管噴入二次燃燒室。空氣經來流模擬系統的穩流裝置整流和穩壓后，通過和燃燒室前端相連的4個空氣軟管進入燃燒室，燃氣和空氣進一步燃燒后，由噴管噴出。

為保證燃氣進氣與二次燃燒室結構相同，長尾管設計為橫截面為14.2 mm×14.2 mm的方形出口。燃氣與空氣采用平行進氣的設計思想以弱化燃氣與空氣的摻混。燃氣由出口為方形的長尾管在二次燃燒室前端中心噴入燃燒室，空氣由周向布置的4個進氣孔進入，經平行進氣裝置(鎳合金泡沫金屬)整流后，圍繞長尾管噴入燃燒室。

本研究的二次燃燒實驗裝置具有如下特點:(1)燃燒劑和氧化劑分別從不同通道進入燃燒區域;(2)燃燒劑和氧化劑以近乎速度平行的方式進入燃燒室，兩者一邊混合，一邊燃燒;(3)混合速率遠小于化學反應速率，弱化燃氣與空氣摻混作用。

1.3 燃燒裝置參數測量

燃燒室參數測量通過奧地利德維創(Dewetron)公司生產的DEWE-2010便攜式數據采集設備完成。

1.4 火焰結構拍攝

實驗中，由于燃燒反應時間快，火焰明亮度高，普通相機曝光時間過長，容易導致拍攝圖片過曝。借助高速攝像儀高解析度和較短曝光時間的特性，可拍攝瞬時火焰形態，獲得更多的實驗信息。實驗用高速攝像儀為美國Vision Research公司生產的PHANTOM V4.3 高速相機，鏡頭為 Nikon 40 mm 1.8 定焦鏡頭，拍攝角度為側面拍攝。參數設置為拍攝圖片分辨率為800×600，每秒幀數為 50幀，鏡頭曝光時間為300 μs。相機連續拍攝圖片為886張，持續時間為17 s，觸發方式采用操作人員在燃燒室工作前2 s，通過控制程序觸發。

2 實驗工況設計

模擬來流條件:高度10 000 m、飛行 Mɑ=2.8，其對應的總溫573 K，總壓0.67 MPa;燃氣發生器幾何狀態:內徑為63 mm、喉徑4 mm;燃氣發生器和燃燒裝置工作條件:推進劑采用端面燃燒藥柱，燃氣質量流率0.03 kg/s，空燃比 10。

實驗中，通過改變進氣面積實現進氣速度的控制。通過測量不同進氣速度條件下的二次燃燒室熱力參數，結合火焰形態的高速攝影照片，探究不同進氣條件下的燃燒特征及進氣速度對二次燃燒的影響。

空氣和燃氣速度采用一維簡化流動計算得到。計算結果表明，空氣在全截面進氣時速度較低，與燃氣速度相差較大。為獲得不同進氣速度，采用減小進氣面積提高速度的方法，來實現燃氣與空氣速度匹配。實驗工況如表1所示。

3 實驗結果及分析

3.1 測量結果及分析

實驗中，分別在燃燒室前、中、后位置布置壓力測量點(對應標注為 p03、p04、p07)，進行燃燒過程測量。進行了多次實驗，較為成功和代表性實驗結果有兩次。

圖3(a)為工況1條件下的燃燒室總壓曲線。由圖3(a)可見，燃氣發生器點火前，來流形成的燃燒室壓力在0.13 MPa左右;燃氣發生器點火后，壓力出現點火峰，后迅速回落，經1 s左右壓力曲線迅速增高;穩態燃燒時，壓力平穩，平均值在0.3 MPa左右，穩態燃燒時間4 s左右。圖3(b)為工況2條件下燃燒室總壓曲線。由圖3(b)可見，燃燒室總壓趨勢與圖3(a)基本一致，初始壓力為0.13 MPa，但總壓出現了二次點火峰。出現了二次點火峰的原因可能為燃氣發生器點火后，由于推進劑點火藥包顆粒不均勻，較細小的顆粒先點著，較大的顆粒后點著，從而導致兩次點火壓力峰的出現。點火后，經過1 s左右的過渡，壓力曲線迅速增高，繼而建立起穩態燃燒。穩態燃燒段曲線呈現小幅遞增趨勢，平均值為0.33 MPa，持續時間3 s左右。

表1 燃燒實驗工況Table 1 Test parameters for combustion

圖3 總壓曲線圖Fig.3 Pressure curve of chamber

圖4(a)、(b)分別是工況1和工況2燃氣發生器靜壓曲線，實驗測量中對應標注為p01。由圖4可見，兩種工況下的燃氣發生器靜壓曲線趨勢基本一致。點火開始后，首先出現較高的點火壓力峰，點火結束后，推進劑等速燃燒，壓力存在小幅上揚，壓力變化趨勢與燃燒室總壓變化趨勢大體一致。

圖4 靜壓曲線圖Fig.4 Pressure curve of gas generator

對比圖3中兩種工況的總壓曲線，可發現:

(1)兩種工況下，燃燒室總壓曲線平穩、光滑，說明燃燒穩定。

(2)點火壓力峰至總壓平穩存在簡短時間差。由于硼粒子為微小直徑顆粒，其在熱空氣中的點火都需要時間，上述點火壓力峰至總壓平穩過程為硼粒子過程。以點火壓力峰為起點計算，工況1用時大于1 s，工況2用時小于1 s。兩種工況下燃燒條件區別僅在于空氣速度的不同，工況2比工況1進氣速度高，單位體積內進氣密度高，較高的氧氣密度使得含硼富燃燃氣中氣相燃燒的更充分，硼粒子在火焰中升溫更快，進而能更快地建立起穩定燃燒。可得出，燃氣與空氣相近的速度有利于硼粒子快速升溫，從而縮短壓力建立時間。

(3)工況1，二次燃燒室均壓0.3 MPa;工況2，燃燒室均壓0.33 MPa，略高于工況1，說明燃燒效率略有提高。在燃氣速度與空氣速度相近的情況下，不僅有利于穩定燃燒的建立，也有利于燃燒的進行。

(4)對比兩種工況下壓力穩定段曲線發現，工況2條件下，二次燃燒壓力略高，并出現不斷爬升的趨勢。這是由于燃氣與空氣速度相近的工況下，更有利于燃燒的進行，產生更高的二次燃燒室壓力;壓力越高，越有利于硼粒子在火焰中燃燒，而硼粒子燃燒放出的熱增強了氣相與硼粒子之間的傳熱［8］，對壓力有正面貢獻。兩者相得益彰，因此出現壓力不斷爬升的態勢。

3.2 高速攝像結果及其分析

由于拍攝區域限制，僅進行了前兩個觀察窗(窗1和2)火焰拍攝。圖5為燃燒穩定段瞬時火焰形態。

圖5 高速攝像截圖Fig.5 Screenshots of high speed photograph

一次燃氣參數通過推進劑熱力計算得到，一次燃燒溫度1 870 K，略高于硼粒子的點火溫度［9］。含硼富燃燃氣自長尾管噴時，由于存在速度，顆粒相溫度會有所降低，硼粒子到達溫度較高的火焰鋒面時，溫度達到硼粒子點火溫度，發生點火，溫度進一步提高，繼而增強硼粒子與氣相之間傳熱［8］，使燃燒持續進行。從高速攝像截圖可印證這一點，長尾管出口火焰有微弱亮度，噴出后亮度降低，經過一段距離后，火焰亮度突然增強，發生點火，長尾管出口至火焰亮度突然增強處，即為補燃室中含硼富燃燃氣點火距離。

對比兩種工況下燃燒穩定段火焰結構可見，工況2點火距離長于工況1。工況1中，空氣進氣速度為12.6 m/s，與工況2相比，進氣速度較低，氣相火焰錐角較大，火焰鋒面寬，加之氣體流動速度較低，含硼富燃燃氣在燃氣出口較短距離上到達溫度較高的火焰鋒面處，完成了點火;工況2中，進氣速度的提高，使得火焰錐角變小，火焰變得細長，火焰鋒面變窄。前部較窄的火焰鋒面不足以提供足夠的熱量，使含硼富燃燃氣點火，在速度較大的空氣帶動下，含硼富燃燃氣點火距離隨之增大。改變空氣與燃氣的相對速度，實際上是改變了兩氣相交界處剪切層內的剪切力大小，剪切層的位置即是火焰鋒面所在的位置，含硼富燃燃氣點火的發生正是到達兩種氣體剪切層的時刻。因此，改變進氣速度，實質上是改變了燃氣與空氣兩者的壓力差，從而影響到主流的膨脹特性［10］，進而影響到火焰鋒面的位置和含硼富燃燃氣點火的位置。

4 數值模擬結果與實驗結果對比

采用Fluent軟件中UDF功能，編寫程序，對兩種工況燃燒狀況進行了模擬。其中，硼粒子點火燃燒采用King模型，氣相燃燒采用有限速率/渦耗散模型，湍流選取RNG k-ε模型，所得流場分布(壓強和B2O3質量分數)如圖6和圖7所示。

圖6 燃燒室壓力Fig.6 Pressure of combustion chamber

圖7 B2O3質量分數Fig.6 Mass fraction of B2O3

模擬所得的兩種工況二次燃燒室壓力分別為0.48 MPa和 0.50 MPa; 實驗測得為 0.40 MPa 和0.43 MPa。模擬所得含硼富燃燃氣點火距離分別為57 mm和111 mm;實驗測得為50 mm和100 mm。二者基本吻合。

5 結論

(1)設計了截面為長方形，帶透明觀察窗的燃燒裝置。

(2)觀測到不同工況下火焰形態和含硼富燃燃氣點火距離。空氣與燃氣速度差對其有顯著影響，空氣與燃氣速度差愈小，含硼富燃燃氣點火距離愈長。

(3)通過數值計算結果和實驗數據對比，初步驗證了數值計算方法。

［1］甘云華，宋景東.小尺度射流擴散火焰結構的實驗研究［J］.華南理工大學報(自然科學版)，2011，39(3):73-77.

［2］Jeffery D Moore，Grant A Risha.Stability of methane/oxygen coaxial diffusion flame［R］.AIAA 2003-4636.

［3］顧欣.濕空氣鈍體擴散燃燒火焰結構與穩定性研究［D］.上海:上海交通大學，2007.

［4］惠鑫.合成氣稀釋擴散火焰的實驗和數值研究［D］.北京:中國科學院工程熱物理研究所，2007.

［5］Roquemore W M，Ronald L Britton.Dynamic behavior of a bluff-body diffusion flame［J］.AIAA Jorunal，1982，20(10):1410-1416.

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(編輯:崔賢彬)

Experimental study on the combustion of fuel-rich gas containing boron particles

FENG Xi-ping1，XU Gang1，REN Quan-bin2，LIU Yang1
(1.Science and Technology on Combustion，Internal Flow and Thermal-Structure Laboratory，Northwestern Polytechnical Univercity，Xi＇an 710072，China;2.The Fourth Academy of CASC，Xi＇an 710025，China)

A test facility，which has transparent observation windows，was designed to solve the verification of secondary combustion models according to the working conditions of solid rocket-ramjet motor(SRRM).This facility was made to shorten the effect of mixing and form simple combustion environment.The combustion phenomena of fuel-rich gas containing boron particles，which was based on the single variable of air inlet velocity，were studied with the help of high-speed photographer and data acquisition.The shape of fire and pressure of combustion chamber were observed and numerical simulation was then compared with the experiment data.The experiment results indicate that the diffusion flame has a cone-shape contour，the distance of secondary ignition of boron particles is longer and the pressure of combustion chamber in the same location is higher when the air inlet velocity is approximate to the gas velocity.The contour of the diffusion flame is determined by the approximate level of air inlet velocity and the primary gas velocity and the results of numerical simulation are basically matched with the experiment outcome.

born particles;transparent observation window;high speed photographer;distance of ignition

V438

A

1006-2793(2014)06-0787-05

10.7673/j.issn.1006-2793.2014.06.009

2013-11-26;

2013-12-08。

973支持項目。

馮喜平(1963—)，男，副教授，研究方向為固沖發動機燃燒與流動。E-mail:fengxiping@nwpu.edu.cn