微波對超聲速燃燒火焰結構的影響

孟宇，顧洪斌，張新宇

1. 中國科學院大學 工程科學學院，北京 100049 2. 中國科學院力學研究所 高溫氣體動力學國家重點實驗室，北京 100190

高超聲速沖壓發動機技術中，燃料空氣混合、點火、火焰穩定和冷卻[1-2]是具有挑戰性的工作。在高馬赫數下，空氣在燃燒室停留的時間(tflow≈0.5 ms)甚至比典型的燃料射流自點火的時間(tig≈1～2 ms)還要短[3]。傳統的被動穩焰方式(如凹腔穩焰和支板穩焰)將火焰穩定在渦結構中達到穩定燃燒目的。而這種由燃燒室超聲速來流主導的、被動形成的穩焰模式，來流狀態的不穩定與燃燒不穩定相互作用影響了火焰結構[4-8]。因此需要更為有效的穩焰方式，在來流狀態發生改變的時候主動穩定火焰，使火焰結構能夠準確控制。

產生等離子體的方法有很多，如流光放電、納秒脈沖放電、阻擋介質放電、射頻放電、輝光放電等，不同放電方式下的約化場強、電子數密度以及能量分布特性不同。Starikovskiy和Aleksandrov[11]比較了非平衡等離子體在鏈式點火和熱點火效率方面的差異，并建議對放電中產生的不同粒子進行分類，分析其在隨后發生化學反應中的作用。

國內關于等離子體助燃已經有大量研究，中國科學院力學研究所的余西龍等[12]利用1.5 kW電弧放電火炬等離子體在超燃中成功進行了液體煤油點火，實驗馬赫數為1.8，總溫為950 K，液體煤油噴射壓力范圍為1.5～2.5 MPa，當量比為0.2～0.3。國防科技大學的孫明波等[13]進行了多種等離子體點火實驗，利用火花放電進行了乙烯凹腔穩焰研究。李俊等[14]利用滑移電弧結合凹腔結構進行了超燃沖壓發動機點火和穩焰實驗，燃燒室來流馬赫數為2.52，電弧功率為1 199 W，實驗發現滑移電弧將貧燃點火極限擴展了17%。李曉輝等[15]成功利用激光誘導的等離子體進行了超燃沖壓發動機凹腔穩焰結構液態煤油燃料的點火實驗。國防科技大學的安斌等[16]進行了超燃沖壓發動機激光等離子體點火實驗，實驗來流馬赫數為2.92，總溫為1 650 K，總壓為2.6 MPa，乙烯燃料當量比為0.152，成功進行了激光點火，證實了通過增加點火能量，可以縮短點火時間、提高激光脈沖點火成功的概率。

相對于高壓放電形成的等離子體，微波形成等離子體過程更為復雜，微波的電場和磁場對電子有加速作用，同時微波對分子化學鍵振動能的增加也有作用。超聲速燃燒中，標量傳輸受到氣體壓縮的抑制，輸運過程并不順暢，而且相對駐留時間短。微波的影響是區域性的，因此利用微波對燃燒的動力學增強作用輔助燃燒可能更為高效。

Jaggers和von Engel[17]于1971年研究了電場對不同燃料燃燒速度的影響。在這項研究中，將甲烷、乙烯和煤氣預混火焰置于直流電場或50 Hz和5 MHz交流電場，且電場電壓低于擊穿電壓。在甲烷和乙烯的預混火焰中觀察到最大火焰速度提高了20%。其作用機理被解釋為電場作用于火焰內部的自由電子，引起燃燒反應速率增大。

日本名古屋大學的Shinohara等[18]將中心頻率為2.45 GHz、功率分別150 W和300 W的微波直接作用于甲烷預混火焰，觀察其助燃效果和對燃燒速度的影響。實驗研究表明，向預混燃燒火焰發射微波，火焰長度縮短，燃燒速度加快。同時利用光譜儀探測火焰中CH和OH基溫度與未射入微波時相同。燃燒速度的提高并不是由于混合氣溫度升高導致，而是由于微波對電子加熱引起的，即微波電磁場增強了非平衡等離子體濃度。

俄羅斯的Khodataev[19]研究認為，微波可以在空間、物體表面或通過天線進行放電。由于亞臨界微波放電能在高壓氣體中產生，所以有希望作為燃燒應用中最有前途的放電類型。亞臨界放電可以有效地耦合到電離初始區域，存在一個體積分布的飄帶式電離區，這一特點能夠作為容積燃燒的點火火源引燃整個燃燒區域，對于超燃或者高速亞燃都具有應用前途。另外，微波放電區可以作為火焰穩定器，從而可不使用凹腔或其他幾何穩焰結構，避免高熱流問題[20-23]。

Stockman等[24]采用2.45 GHz微波諧振腔，利用定量濾波瑞利散射(FRS)、平面激光誘導熒光(PLIF)和粒子圖像測速(PIV)測量了微波對層流火焰速度的影響，觀察到預混甲烷-空氣混合物的層流火焰速度增加高達20%，OH基濃度的增加主要是由焦耳加熱通過微波耦合到火焰鋒面后高溫反應區引起的，這種額外的加熱有加速燃燒的效果。

Michael等[25]研究表明頻率3 GHz、重頻1 kHz的微波在諧振腔內可以大幅度提高火焰速度，且耦合效率高，在大大降低平均功率的同時達到相似的火焰速度提高效果。等離子體或微波對氣體的激發都需要大量的能量，對于飛行器來講，不太可能提供大功率的電力，因此采用脈沖方式是較佳的選擇。普林斯頓大學的琚詒光研究組設計了微波諧振腔，研究了微波對層流預混甲烷空氣混合氣火焰速度的促進作用[26]。

國內方面，清華大學的張貴新[27]、蘭光[28-30]等開展了微波等離子體車用發動機的研究，該項技術的工作原理主要是使微波場在諧振腔內實現共振增強，當油氣混合物的放電閾值一旦達到，就可點燃氣缸混合氣。另外，大連理工大學王冬雪[31]將微波等離子體點火與助燃應用于航空航天發動機領域。在石英管內恰當放置銅絲，應用在銅絲與石英管壁附近生成的表面波等離子體激元，諧振激發微波放電能夠產生相對穩定的等離子體射流。研究發現位于加熱層附近的等離子體，主要呈雙麥克斯韋分布，原因是受到表面波等離子體激元的高頻振蕩影響。

綜上所述，等離子體助燃研究中的等離子體產生方式多種多樣。對于微波的研究多是應用微波在最大場強點放電或臨界放電產生等離子體輔助燃燒，很少有微波場強對超聲速燃燒的影響研究。因此本文針對微波電磁場對超聲速燃燒火焰結構的影響開展實驗研究。利用高速相機采集火焰鋒面CH*的強度與位置，以研究微波對超燃火焰結構的改變，希望獲得微波增強超聲速燃燒的有效方式。

1 實驗設計

1.1 實驗模型與測量方法

本實驗在中國科學院力學研究所直連式變馬赫數超聲速燃燒實驗臺進行。直連式超聲速燃燒實驗臺是研究超聲速流動和燃燒的重要設備，主要由加熱器、噴管、實驗段及氣路供應系統、控制臺、測量系統組成，可以模擬超燃沖壓發動機燃燒室的工作過程。其中，加熱器采用燒氫補氧的加熱方式產生高焓實驗氣流，來滿足實驗氣體的總溫總壓要求。燃燒加熱后的氣體氧氣摩爾分數為21%，與空氣相同。

實驗模型采用矩形橫截面結構，單面擴張，擴張角為2°，隔離段入口高度為40 mm，寬度為80 mm，采用單級凹腔穩焰。在凹腔對面利用波導和角錐喇叭天線饋入2.45 GHz微波，模型結構如圖1、圖2所示。圖2中紅色點劃線內為喇叭天線及凹腔位置。從微波源出口開始，采用N型微波接頭，同軸線傳輸。

圖1 超燃沖壓發動機結構示意圖
Fig.1 Schematic diagram of scramjet structure

圖2 超燃沖壓發動機模型實物和天線安裝位置
Fig.2 Scramjet model and installation position of antenna

在碳氫燃料火焰的測量中，CH*自發光主要生成位置處于火焰鋒面區域。在碳氫燃料燃燒過程中會產生如OH、CH*、CN等中間自由基團，而CH*是一種能夠代表燃燒火焰的基團。CH*由激發態躍遷到基態時會發射431 nm波長的光線，CH*自發光強度代表該基團的濃度。通過加了濾光片的高速相機直接對火焰進行拍攝，可捕捉到431 nm波段的圖像，即CH*在燃燒區域的發光強度，也就是基團相對濃度。濾光片的通過波長為(430±15) nm，峰值透過率為0.882。實驗中使用的高速相機為PHANTOM公司生產，型號為v1612，最大可用分辨率為1 280 pixel×800 pixel。實驗拍攝曝光時間為10 μs，幀率為20～60 kHz，實際使用像素為512 pixel×256 pixel。

燃燒室入口來流馬赫數為2.5，總溫為1 249 K，總壓為1.55 MPa，總流量為1.77 kg/s。微波功率參數如表1中所示。

實驗時序如圖3所示，文中所提及時序以此為參照標準。在2 s之前所有實驗及采集設備趨于穩定，2～4 s為正式實驗時間段。

表1 實驗參數Table 1 Experimental parameters

圖3 實驗時間順序
Fig.3 Experimental time order

1.2 微波饋入設計與強度計算

為了表征在加入微波后燃燒室內部電磁場的分布，以及電磁場在模型內部的傳播特性，并排除微波對上游電子設備的影響。本節用HFSS仿真軟件對模型內部電磁場進行了計算模擬。

圖4給出的是微波計算域結構圖，圖中綠色的部分是石英玻璃。玻璃上側的是喇叭天線，下側是燃燒室流場。四周壁面采用理想導體邊界條件，入口和出口兩端采用輻射邊界條件，微波饋入位置為凹腔上方，計算采用頻域有限元分析方法，激勵功率為1 W，激勵主頻也是2.45 GHz。

計算結果如圖5所示，圖中給出了主頻為2.45 GHz的電場強度分布結果。可以看到電場主要分布在燃燒室凹腔區域，就是說在饋入2.45 GHz的微波之后，功率并沒有向兩端傳遞，而是聚集在燃燒室區域，這對提高局部區域的電場能量有利。從電場的分布看到在流道中心區域形成較為集中的高電場區域，最高強度沒有超過1 000 V/m，遠低于擊穿電壓，場強是有偏振方向的，垂直于氣流方向指向側壁。由于計算時未考慮燃燒狀態下空間內存在電子和離子，實際燃燒場強分布非常復雜。

圖4 HFSS 計算模型域結構
Fig.4 Structure of HFSS simulation model

圖5 凹腔位置電場強度計算結果
Fig.5 Simulation result of cavity electric field intensity

2 結果與討論

2.1 微波對超燃沖壓發動機壓力特征的影響

圖6 不同功率下的凹腔壓力隨時間的變化
Fig.6 Variation of cavity pressure with time at different powers

圖6給出了是凹腔后緣的動態壓力傳感器測到的壓力隨時間變化圖像(圖中1 bar=100 kPa)。圖中的壓力測點位于凹腔后緣的斜坡處，壓力的變化不僅代表燃燒強度的提高，也反映出火焰結構和位置。

從圖6中可以看出，在火焰穩定時刻壓力幾乎沒有差別。而隨著時間的推移，有微波注入的工況壓力陡然上升，并且隨微波功率的增大，壓力上升點的位置前移。從紅色曲線微波功率為500 W工況來看，在壓力沒有抬升之前，曾出現幾次壓力波動超過平均振幅的現象，這說明火焰發生了轉變但沒有穩定住。當微波功率從500 W升高到700 W之后，壓力上升時間點提前。

壓力抬升的時刻與微波功率相關。壓力的抬升與火焰和釋熱形態息息相關，將無微波的燃燒模態定義為模態A，有微波而且壓力升高后的模態定義為模態B。

局部壓力升高是燃燒釋熱區域變化引起的，而釋熱變化必然會引起燃燒室壓力分布的變化。圖7給出了燃燒室壓力發生轉換之后，發動機沿程壓力在不同微波功率下的對比。可以發現，在加入微波之后，沿程壓力隔離段升高點提前，并且壓力峰值區域相對集中。而壓力分布與來流狀態、燃料噴射壓力、燃燒室結構以及燃料特性有關，在本實驗中以上所述條件均沒有改變，所以是微波的加入改變了燃料的燃燒特性。

圖7 不同功率下的燃燒室沿程壓力
Fig.7 Pressure along combustor path at different powers

2.2 微波對平均火焰結構特征的影響

從模態A和模態B分別提取100幅圖像進行灰度平均，得到圖8左側灰度圖像，經過偽彩處理得到右側偽彩圖。歸一化的CH*發光強度、壓力分布和熱流損失共同決定燃燒釋熱分布，且釋熱強度與CH*強度成正比[32]。

圖8給出了燃燒模態A與B的平均火焰結構。火焰區域可以根據凹腔剪切層大致區域分布分為2個燃燒區域，3個實驗采用幾何一致的劃分，白色點劃線下側代表凹腔剪切層主燃區，上側代表射流穩焰區，這樣劃分的意義主要是分析微波帶來的火焰結構的變化。從CH*的發光強度對比可以看到，模態A凹腔穩焰區域燃燒強度大于射流穩焰區域，兩部分相互交叉融合。射流穩焰的形成是由射流動量比、摻混和燃料化學反應速率決定的。

如圖8模態B火焰結構所示，在加入了微波之后，火焰高強度區完全由凹腔穩焰區域轉移到了射流穩焰區域。并且火焰前鋒面向前端延伸。火焰整體釋熱區域變大，強釋熱區核心變小并集中在射流穩焰區域，造成該區域壁面壓力上升。

圖8 火焰CH*平均圖像
Fig.8 Average of CH*picture of flame mode

圖9 相對釋熱強度沿凹腔位置分布
Fig.9 Distribution of relative intensity of heat release along cavity

將CH*圖像灰度沿圖片高度積分，得到CH*相對強度沿凹腔位置的變化曲線，如圖9所示。加入微波之后發現火焰結構明顯變化。火焰起始位置前移至射流區域，從偽彩圖上可以看到火焰高強度釋熱區向射流位置偏移。在沒有添加微波的工況下，火焰全部集中在凹腔位置。而加入微波之后，火焰核心前移，懸于剪切層上方。可以認為微波的加入使得燃料在射流之后迅速開始燃燒，其本質是燃燒反應速率的提升使得穩定區間發生變化。燃燒反應速率受反應物化學性質、摻混和反應路徑等影響。

在超燃中，射流穩焰的形成需要具備一定的條件，比如足夠的燃燒反壓、足夠的火焰傳播速度等。根據文獻[33]中微波對碳氫燃料火焰作用的研究結果，微波電磁場能夠有效增強火焰內自由基(OH、CO)活性和數量，因此對化學反應速率具有有效作用，從而使火焰能夠穩定在射流出口區域。另一方面，本實驗中選取的當量比是略低于模態轉換的當量比，由微波實現的穩焰模態的轉換實際上是雙模態發動機由超燃模態向亞燃模態轉換時典型的穩焰模式的轉換[34-35]，微波起到的是一個促進作用，因此利用微波輔助超聲速燃燒對發動機控制具有一定的作用。

圖10 不同微波功率下CH*相對強度
Fig.10 Relative intensity of CH*at different microwave powers

更進一步地，對3種火焰CH*發光灰度圖像像素值進行積分，可以得到火焰的CH*相對強度，并進行比較，如圖10所示。圖中可以看到在不同微波功率條件下，火焰CH*發光強度并沒有明顯變化。這是由于在合適的當量比狀態下燃燒充分，微波加入后的功能，僅是改變了燃料的燃燒摻混和燃燒路徑。

2.3 火焰邊界的分形幾何自相似性

火焰邊界的分形幾何自相似性是研究湍流火焰的有效手段，可以對湍流火焰速度進行分析。圖11(a)為CH*自發光灰度圖形，圖11(b)為經邊界提取之后的火焰邊界圖像。邊界圖像為8位位圖灰度圖像，火焰邊界線為經過處理的單一像素值，邊界線寬度為2 pixel[36]。

計數盒子邊長的選取以像素為單位，應用MATLAB軟件編寫計算程序，給定盒子邊長，計算得到能夠覆蓋火焰邊界需要的盒子數量。由于邊界寬度為2個像素，所以盒子邊長最小取2個像素，步長按2n-1以此取值，最大邊長為64 pixel，計算結果如表2所示。

圖11 火焰CH*灰度圖像和邊界提取
Fig.11 Flame CH*gray picture and boundary extraction

表2 圖11分形維度計算結果

將表2中的計算結果按分形維度公式取對數進行線性擬合，結果如圖12所示，擬合曲線的斜率取相反數，得到火焰邊界的分形幾何維度。圖中擬合曲線的斜率為-1.232 8，所以火焰邊界的分形維度為1.232 8，擬合優度R2=0.998 9，說明擬合程度相當好，火焰邊界具有自相似性。

圖12 分形維度計算結果與擬合曲線
Fig.12 Calculation results and fitting curve of fractal dimension

利用上述方法計算不同微波影響下的火焰邊界分形維度。每組實驗隨機選取若干圖片利用自動化程序計算分形維度，計算結果如表3所示。

由表3可以看出，每個工況的火焰邊界分形維度波動不大。為了研究微波功率對火焰邊界分形維度的影響，對各工況分形維度分別取平均值，并繪制得到圖13。從圖中可以看出，隨著微波功率的加入，火焰邊界的分形維度與微波功率成正相關。

火焰邊界的分形幾何維度與湍流火焰速度呈正相關關系，具體表達式為

式中：ST和SL分別為湍流火焰速度和層流火焰速度；AT和AL分別為湍流和層流的火焰鋒面面積；D2和D1分別為火焰鋒面面積和火焰鋒面邊界的分形維度；l和η分別為湍流尺度和柯爾莫哥洛夫尺度。因此，微波的加入能夠使超聲速燃燒的湍流火焰速度增大。

表3 實驗火焰邊界圖像分形維度計算結果

圖13 火焰邊界分形維度與微波功率關系
Fig.13 Relationship between fractal dimension of flame boundary and microwave power

3 結 論

本文通過微波功率參數對超燃火焰結構特征的影響研究，得到以下結論:

1) 微波的加入使超燃火焰穩定結構發生改變，由凹腔剪切層穩焰轉向射流穩焰。由分形幾何分析結果，微波的加入提高了湍流火焰速度，從而提高了整體火焰傳播速度。微波功率小于火焰功率的1‰，其能夠在燃料滯留的短時間產生作用，說明其對化學反應關鍵進程的改變機理值得深入研究。

2) 超聲速湍流火焰邊界具有分形幾何自相似性，微波的加入使分形維度增大，從而對燃燒反應起到了積極的作用。因此可以說微波可能對火焰邊界和湍流渦團起到作用，但需要進一步的研究探索。

3) 微波的有效利用與發射和接收介質關系較大，電場分布也與燃燒室結構以及流動參數密切相關，合理利用微波能量需要深入研究電磁波能量傳遞與火焰耦合的過程，是一個多物理場的復雜問題，本次研究證明了微波對超燃的影響可以利用。

致 謝

感謝實驗過程中各實驗人員的合作與支持。