微波增強滑移電弧等離子體輔助超聲速燃燒

孟宇，顧洪斌，孫文明，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，空氣在燃燒室停留時間(tflow≈0.5 ms)甚至比典型的燃料射流自點火時間(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的相互作用，會對火焰結構產生影響[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。

對于等離子體增強超聲速燃燒國內已經有大量研究。中國科學院力學研究所的余西龍等[10]利用1.5 kW電弧放電火炬等離子體成功進行了液體煤油超燃點火，在馬赫數為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的實驗條件下，利用N2為饋料的等離子炬點火成功。國防科技大學的孫明波等[11]進行了多種等離子體點火實驗，利用火花放電、滑移電弧和激光等進行了乙烯凹腔穩焰研究。李俊等[12]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[13]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的點火試驗。國防科技大學的安斌等[14]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，實驗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，提高激光脈沖點燃燃燒室的可能性。

在超燃的應用中，無論是等離子炬還是在燃燒室直接產生等離子體，研究多為單一放電方式，而這些方法僅能夠在單一位置產生等離子體，不能形成全場助燃或多點點火的效果。Khodataev[15]的研究認為，微波可以在空間、物體表面或通過天線進行放電。而亞臨界微波放電由于其能在高壓氣體中產生的特征而有希望作為燃燒應用的最有前途的放電類型。亞臨界微波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，這能夠作為容積燃燒的點火火源引燃整個燃燒區域，這對于超燃或者高速亞燃都是最具有應用前途的。另外，微波放電區可以作為火焰穩定器，不使用凹腔或其他幾何穩焰結構，從而避免高熱流問題[16-19]。然而微波產生等離子體需要利用天線集中能量，在燃燒室放置尖銳的凸起物不夠現實，若單靠微波電場助燃，效果不夠理想。所以需要一種新的能夠大面積產生等離子體且容易實現的助燃方式。

雙脈沖激光是產生等離子體的一種方式，第一次激光脈沖產生等離子體，第二次脈沖增強。但對于這種方式，激光束幾何形狀起到了關鍵作用，且需要較高的能量密度和控制精度[20]，造價非常高，并且產生的等離子體擴展區域非常有限。Michael等[21]利用微波增強激光等離子體并給出了動力學特征，表明微波對等離子體具有擴展作用，能夠產生大面積的等離子體。Ikeda等[22-23]開發了一種微波增強火花放電的等離子體產生方法，微波使火花等離子體產生了大范圍的擴展。Elsabbagh等[24]研究認為，微波對等離子體中激發的N2轉動溫度具有增強作用，并且顯著增大等離子體中離子基數量。目前微波增強火花放電等離子體點火方式在內燃機中已經有大量研究，包括增強點火和多點點火等[2]。而在超燃中，關于微波增強等離子體點火或助燃的研究較少，尤其在國內少有研究。

微波增強等離子體需要兩部分結構，一是產生等離子體的源，二是微波。滑移電弧等離子體是由電弧經氣流等作用擴展拉長，電弧起始位置熱效應明顯，隨電弧拉長出現非平衡反應區域，因此滑移電弧的助燃作用同時具有平衡和非平衡特點[25]，相對于火花放電和激光等離子體具有范圍更大的優勢，且容易實現。因此本文將利用微波增強滑移電弧等離子體輔助燃燒的方法，采用火焰觀測等測量手段，期望驗證一種較單一等離子體助燃更為有效的助燃方式。

1 實驗設計

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。實驗臺由氣源、加熱器、發動機模型和控制系統等組成。加熱器通過氣源供氣，由燒氫補氧的方法產生高溫高壓氣體，經噴管加速達到實驗要求的馬赫數。

實驗發動機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。穩焰模式采用單級凹腔，在凹腔對面利用W430波導和角錐喇叭天線饋入2.45 GHz的微波，模型結構如圖1所示。燃燒室內共布置兩套電極，位于凹腔前部，如圖2所示。電極由高壓電源供電，電源最大電壓為10 kV，電流為1 A，電源與電極之間分別加裝15 kΩ的保護電阻。微波場強在凹腔中的分布計算結果在之前的研究中[26]已有介紹。

圖1 微波和滑移電弧設備配置示意圖與發動機模型

壁面靜壓測點布置在發動機模型上壁面，間距為30 mm。通過內徑為1 mm的測壓導管連接到壓力模塊上，壓力模塊的測壓量程為0～690 kPa。壓力信號通過PSI公司的DTC Initium 數據采集系統進行采集，采樣頻率約為637 Hz。在圖2中測點CH02和CH03位置布置高頻壓力測點，采用KULITE XTEL傳感器，采樣頻率為100 kHz。

圖2 電極和凹腔模型

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。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，即可捕捉到431 nm波段的圖像，即CH*在燃燒區域的發光強度。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由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。

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。微波功率和滑移電弧參數如表1所示，表中Φ為當量比，本文實驗分為實驗組B組(Case B1、Case B2、Case B3)和對照組A組(Case A1，Case A3，Case A4，Case A5)。

圖3 實驗時間順序

表1 實驗參數

2 結果與討論

2.1 滑移電弧在超聲速氣流中的放電特征

當電壓作用于電極上時，首先兩電極相隔最近的位置被擊穿形成電弧，接著由于氣流的作用，電弧會沿著電極滑移并拉長，形成滑移電弧。當電流不能夠支持電弧的長度時，電弧斷裂，并同時在起始位置重新形成電弧，如此周期往復。并且由于電弧的長度變化改變了電弧電阻，因此電極兩端表現出電壓的周期規律。在超聲速氣流中，如圖2所示，流動方向自左向右，滑移電弧起始位置在左側，隨氣流擴展，當電流不能支持電弧長度的時候斷裂，同時在電極左側重新形成電弧。圖4給出了電極兩端電壓和電流的周期特征，電壓的高點和低點分別代表電弧生成和擴展，電流則與電壓趨勢相反。電壓周期約為8 μs，頻率約為125 kHz。經計算電弧平均功率約為102.8 W，最大瞬時功率為3 934.9 W，最小為0 W。

圖4 滑移電弧電壓和電流的周期特征

2.2 等離子體對超燃發動機燃燒室壓力特征的影響

為進一步節約能量，實驗采用脈沖微波，因此實驗首先在已有研究的基礎上研究了脈沖微波對火焰的影響，并研究了單純的滑移電弧對火焰的影響，進行了對照組A組實驗，分別為Case A1、Case A3、Case A4、Case A5這4種工況。

實驗首先研究了凹腔后緣測點CH03位置的壓力結果，如圖5所示。可以發現在脈沖微波峰值功率為1 kW、占空比為10%、平均功率為100 W的工況下壓力抬升時刻較700 W連續微波的工況靠后，而只加入電弧的火焰并沒有引起壓力抬升，壓力曲線與沒有等離子體工況的曲線重合。從火焰穩定結構的變化[26]分析可知，是在微波加入后才使得燃燒室火焰分布發生改變，即火焰由凹腔剪切層位置轉換為射流和剪切層同時存在位置，轉換時刻即壓力迅速抬升處。在當量比為0.15的條件下，CH03處壓力沒有變化也就是沒有引起火焰燃燒結構的變化。因此通過實驗得到了單獨使用滑移電弧或微波對火焰的影響結果：滑移電弧由于功率相對燃燒功率過小，沒有對火焰起到有效作用，而脈沖微波對火焰分布及其轉換有作用；且相對于連續微波，脈沖微波條件下壓力抬升位置靠后，由于壓力抬升位置與微波功率相關[26]，因此表明脈沖微波的作用較弱。

圖5 Φ=0.15時不同工況下CH03位置的壓力

Case B1同時開啟微波(峰值功率為1 kW，平均功率為100 W)和滑移電弧(電壓為8 kV)，得到圖6所示壓力。在同時開啟平均功率為100 W的微波和滑移電弧之后，其壓力特征與單純加入足夠功率的微波相似，只是壓力在初始穩定時刻就已經保持在較高位置。壓力的抬升與火焰和釋熱息息相關，在僅加入微波的條件下，壓力抬升位置與微波功率相關，功率大則壓力抬升靠前，但僅開啟滑移電弧不能使壓力抬升。而微波和滑移電弧的共同作用使壓力在初始穩定時刻就達到了高位，說明二者的共同作用起到了更顯著的助燃效果。

圖6 Φ=0.15時同時開啟微波和滑移電弧后CH03位置的壓力

圖7 Φ=0.18時CH02位置的壓力

將當量比提高至0.18進行Case B2和Case B3實驗，關注測點CH02位置的壓力，結果如圖7所示。在加入等離子體之后，燃燒預燃激波串前移，跨過壓力測點，從而使該位置壓力上升。從圖中可以看到在沒有等離子體的工況壓力高點也能夠跨過測點，但不能夠穩定；加了等離子體的工況也會出現壓力高點在測點下游的情況。總體上壓力在測點前后來回振蕩，等離子體的加入使火焰更容易穩定在測點上游。

同樣，考察測點CH03處壓力，發現此時在有和無等離子體的情況凹腔后緣壓力并沒有差別，如圖8所示。圖9給出了當量比為0.15時加入等離子體前后燃燒室沿程壓力(實驗時段平均值)的對比，結合圖9分析可知，等離子體造成的壓力變化表現在射流位置和凹腔中部位置，而在凹腔后緣并沒有明顯的差異，測點CH03恰好處于壓力表現相近的位置。

圖8 Φ=0.18時CH03位置的壓力

局部壓力升高是由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10給出了當量比為0.18時加入等離子體前后燃燒室沿程壓力(實驗時段平均值)的對比。當量比為0.15時，在加入微波電弧之后壓力升高，燃燒室起始壓升點更靠前。同樣，在當量比為0.18的工況下，發動機壓力更為均勻，燃燒室壓升點提前。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，所以等離子體的加入改變了燃料的燃燒特性。在射流前端加入滑移電弧等離子體產生的自由基誘導火焰更容易在射流前的回流區形成穩焰，從而使燃燒室預燃激波串前移。

圖9 Φ=0.15燃燒室沿程壓力

圖10 Φ=0.18時燃燒室沿程壓力

2.3 等離子體對平均火焰結構特征的影響

壓力變化的直接原因之一是火焰結構的改變。對每個工況提取100幅圖像進行灰度平均，得到圖11和圖12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[27]。

圖11 Φ=0.15時火焰CH*平均圖像

圖12 Φ=0.18時火焰CH*平均圖像

圖11給出了當量比為0.15時兩種火焰結構的平均圖像。火焰區域可以根據凹腔剪切層大致分布分為2個燃燒區域，2個工況采用幾何一致的劃分：凹腔剪切層主燃區(白色點劃線下側)和剪切層上側射流穩焰區(白色點劃線上側)。從CH*的發光強度對比可以看到，無等離子體條件下，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。在加入等離子體之后，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。

同樣，在當量比為0.18的工況下，等離子體的加入使火焰結構發生巨大變化，如圖12所示。在加入等離子體之前火焰穩定在兩個區域，如圖中黃色和紅色橢圓標記。黃色標記可以認為是射流形成的穩焰區域，紅色標記認為是由凹腔穩定火焰形成的穩焰區域。在加入等離子體之后，兩個區域重組，黃色區域向前收縮，射流穩焰區幾乎全部轉移到射流前的回流區，凹腔剪切層火焰上移。

在超聲速氣流中，滑移電弧產生等離子體，并由微波的作用而擴展，隨超聲速氣流向下游流動并遇到燃料射流，從而產生相互作用。圖13給出了等離子體在超聲速燃燒中與火焰的相互作用示意圖。首先微波的加入使滑移電弧產生的等離子體擴展，使離子基轉動溫度和密度增加。然后等離子體中的自由基團或激發態的分子，如N2、CN、O等，作用于燃料分子，又由于火焰也是一種等離子體，電弧等離子體與火焰相互作用，加快反應速率，從而使火焰能夠存在于射流前的回流區，燃燒室反壓前推。而在剪切層火焰位置，該區域是微波諧振的位置，電磁場能量最高，微波電磁場能夠有效增強火焰內自由基(OH、CO)活性和數量[28]，因此對化學反應速率具有有效作用，增強火焰穩定性。

正因為如此，在加入等離子體之后，在凹腔位置微波穩定了該區域的火焰，將該處壓力前推，從而射流穩焰區域向前發展，又由于自由基的作用，化學反應速率加快，從而形成了圖12所示的火焰結構。

圖13 等離子體與火焰相互作用示意圖

3 結 論

1) 與單一的微波或滑移電弧等離子體增強燃燒方法比較，微波與滑移電弧的結合可在較低的能耗下，實現與高功率微波等效的效果。

2) 從加入與未加入微波與滑移電弧的火焰結構變化結果可以認為，由于火焰在射流位置更容易穩定，火焰在燃燒室整體位置前移，表明火焰的燃燒速率提高了。

3) 微波與等離子體的相互作用及其對火焰的增強機理十分復雜，既包括等離子體的作用，又包括微波的作用，但從機理上主要還是活性離子及其在微波場中運動、增能以及化學反應過程，只是因為微波的加入使得運動和能量變化更為復雜，同時微波對離子能量的提升過程機理目前還不明確。

目前的研究僅僅是探索開始，本研究結果表明了新型助燃方式的前景和研究價值。

致 謝

感謝實驗過程中各實驗人員的幫助與支持。