滑動弧等離子體輔助超聲速燃燒實驗研究①

張川宇，馮 戎，朱家健，孫明波，汪洪波，蔡 尊

(國防科技大學 空天科學學院，長沙 410073)

0 引言

研制超燃沖壓發動機所面臨的主要挑戰在于燃料與空氣的混合不充分，火焰難以穩定[1-2]。在超燃沖壓發動機成功點火后，超聲速氣流在發動機中的駐留時間短，導致火焰不穩定，燃燒不充分[3]。而拓寬超燃沖壓發動機提升火焰穩定性和提高燃燒效率具有較大的工程意義[4]。非平衡等離子體應用于超聲速燃燒近年來備受關注[5-6]。典型的非平衡等離子體包括準直流電，DBD放電等離子體，納秒脈沖等離子體，滑動弧等離子體等。

國內，蔡尊等[7]研究了火花塞等離子體對超聲速燃燒的助燃作用，發現持續施加等離子體能夠顯著增加燃燒室壁面壓力。馮戎等[8]研究了超聲速流動下滑動弧的點火和穩焰過程。實驗發現滑動弧等離子體點火具有一定的延時性，具有明顯的再點火特性。顧洪斌等[9]研究了微波增強滑移電弧等離子體對超聲速燃燒的影響，發現等離子體使得火焰的初始位置前移。聶萬勝等[10]通過仿真方式研究了準直流放電超聲速燃燒助燃，結果表明燃燒效率提高1.77倍。

國外，Leonov等[11]研究了準直流放電對超聲速燃燒的影響，運用 TDLAS吸收光譜技術測量溫度和燃燒區域的H2O濃度。通過等離子體和燃料相互作用，使得燃料噴注下游形成了活性區域，并顯著提升了壁面壓力。Do等[12]開發了一套納秒脈沖放電點火裝置，脈沖放電電壓峰值可達15 kV，放電頻率50 kHz，放電脈沖寬度約為10 ns。2013年，Matsubara 等[13]將一個等離子體炬和一個絕緣欄放電 DBD 整合在一起用于點燃超聲速氣流中的氫氣射流并實現了成功點火，實驗結果表明等離子體炬P=3.8 kW時燃燒室壁面壓力與增加DBD等離子體結合P=2.4 kW等離子體炬后壁面壓力相同，而DBD放電功率僅為8 W，極大地節省了功耗。

滑動弧等離子體具有較強的熱效應和化學效應。相比部分非平衡等離子體，其熱效應更強(～1100 K)，有利于燃料的摻混，且點火時燃料更易到達化學反應的臨界溫度[14]。相比部分平衡類熱等離子體，滑動弧等離子體的約合電場強度更強，化學動力學效應更好[14]。因其兼具部分平衡等離子體和非平衡等離子體的優點，所以選擇滑動弧等離子體作為助燃超聲速燃燒的研究對象。

雖然滑動弧等離子體在超聲速燃燒中的點火過程已明晰，但滑動弧等離子體助燃超聲速燃燒方面的相關研究較少，滑動弧等離子體針對超聲速燃燒助燃效果的研究尚不完善。本文針對不同當量比研究了滑動弧等離子體對超聲速火焰的助燃效果，運用高速CH*和電流電壓波形分析了超聲速火焰的燃燒過程和滑動弧等離子體的放電特性，并觀測到滑動弧等離子體的穩焰現象。

1 試驗

1.1 試驗裝置及工作原理

圖1為凹腔噴注位置、點火位置和壓力位置示意圖，其中數字序號表示的是測壓孔位置，A、B和C表示的是噴注位置。滑動弧點火器由鎢針和陶瓷組成，鎢針作為高壓陽極，接入滑動弧電源產生高壓后與距離其最近的鐵壁(凹腔底部)擊穿放電，鎢針距離其最近的鐵壁距離為3 mm，鎢針距離凹腔前緣的距離為35.4 mm。測壓孔共14個測壓位置，其中測壓位置9～12位于凹腔底部。

圖1 凹腔噴注位置、點火位置和壓力位置示意圖

試驗測量系統如圖2所示。試驗時由控制臺發送脈沖信號控制滑動弧電源進行放電，電流電壓由高壓探針(P6015A)和電流探針(TCP0030A)測得，測得后數據傳送至示波器，其中示波器設置電壓觸發，當電壓到達預定閥值時，示波器會觸發高速相機(FASTCAM SA-Z)進行拍攝。

圖2 試驗測量系統示意圖

1.2 點火試驗

表1為試驗點火工況，所有工況的點火方式都為滑動弧等離子體點火，每種工況都進行了兩次試驗。本文共采用三種噴注方案，如圖1所示，每種噴注方案尺寸都為3 mm×1 mm，噴注方案A為距離凹腔前緣30 mm處，噴注方案B和C均為凹腔內噴注，噴注方案B為凹腔底部距離凹腔前緣10 mm處，噴注方案C位于凹腔斜坡上，距離凹腔底壁直線距離12.6 mm。所有試驗工況只有C-2點火失敗，火焰燃燒不穩定。

2 結果與討論

2.1 放電特性

圖3為B-1工況下滑動弧等離子體凹腔內放電的電流電壓波形?？煽闯龇烹姴ㄐ沃写嬖陔娏麟妷杭夥澹瑒踊park-type放電模式的特征為電流電壓波形伴隨有脈沖尖峰，因此凹腔內較高的流速導致滑動弧放電轉換為spark-type模式?；瑒踊》烹姷钠骄β蕿?25 W。

表1 試驗點火工況

圖3 滑動弧等離子體放電波形

2.2 滑動弧等離子體增強燃燒

圖4為A-2工況下位置1和位置13的壁面壓力隨時間的關系，位置1位于凹腔前端最靠近加熱器出口的位置，位置13為凹腔后的第一個主流測壓孔。由位置1可以看出在整個燃燒過程中加熱器出口壓力穩定。試驗時序設定為在開啟乙烯噴注后 187 ms后開啟滑動弧電源，此時壁面壓力開始上升，點火成功后壁面壓力趨于穩定，407 ms后關閉滑動弧電源，可以看出關閉電源后火焰壓力逐漸減小，說明凹腔中的滑動弧等離子體具有一定的燃燒增強效果。

圖4 A-2工況下位置1和位置13的壁面壓力隨時間的關系

圖5為A-1、A-2和A-3三種工況下的壁面壓力平均值隨壓力測點位置的變化關系。從滑動弧開啟的400 ms中和關閉滑動弧的300 ms中各選取前250 ms的壓力數據，計算壓力的平均值。其中實線表示的是開啟滑動弧階段的壓力平均值，虛線表示的是關閉滑動弧階段的壓力平均值。由于為同一次試驗，且乙烯壓力和加熱器燃燒穩定，因此具有對比意義。在A-1和A-2工況下，增加滑動弧等離子體后壁面壓力顯著上升，燃燒顯著增強。A-1工況增加等離子體后壁面平均壓力增大6.7%，B-1工況增加等離子體后壁面平均壓力增大12%。而在A-3工況下，增加等離子體和不增加等離子體壁面壓力十分接近，助燃效果不明顯。A-3接近該噴注下的貧燃點火極限，全局當量比較低于0.06時滑動弧不能成功點火。說明滑動弧等離子體在較高當量比下具有明顯助燃效果，而在臨近貧燃的當量比下助燃效果不明顯。

圖5 A-1、A-2和A-3三種工況下的壁面壓力分布

為研究滑動弧等離子體助燃對超聲速火焰形態引起的變化，取關閉滑動弧電源的時刻，將該時刻下前800張高速CH*圖像和后800張高速CH*圖像進行時均圖像處理，再進行偽彩色處理，分別得到滑動弧助燃下超聲速火焰和普通超聲速火焰的火焰形態，如圖6(b)(d)(f)(h)(j)(l)所示。同時將瞬時的火焰圖像進行對比，分別對A-1、A-2、A-3三種工況進行了處理，如圖6(a)(c)(e)(g)(i)(k)所示。不同當量比下超聲速火焰形態有較大差別，隨著噴注壓力的降低，火焰的主要釋熱區域逐漸后移。由于A-1的噴注壓力較高，燃料更多的進入主流區域，因此火焰釋放熱量區域主要集中再凹腔前端上方，如圖6(b)(d)所示。A-2工況下噴注壓力降低，更多的乙烯進入凹腔內，因此火焰的釋熱區域主要集中在凹腔中段和凹腔上方，如圖6(f)(h)所示。A-3工況下較為貧燃，火焰的釋放熱量區域主要集中在剪切層上方，如圖6(j)(l)所示。

通過將圖6(b)和6(d)，圖6(f)和6(h)進行對比可以看出，A-1和A-2工況增加等離子體后，超聲速火焰的火焰面積得到了明顯提升，但核心釋熱區域強度減小。通過將圖6(j)和6(l) 進行對比可以看出，A-3工況下增加等離子體后火焰面積和核心釋熱區域和不增加等離子體相比基本不變。圖7表示的是圖8三種當量比下的火焰面積對比，可以看出當量比為0.16時火焰面積差最明顯，增加等離子體后超聲速火焰的時均面積提升了27%。而A-3工況下超聲速火焰時均面積基本相等，這也與圖7的結論相同，在臨近貧燃的工況下滑動弧沒有助燃效果。

圖6 A-1、A-2和A-3三種工況下的時均和瞬時CH*自發光圖像對比

在凹腔內增加滑動弧等離子體后壁面壓力和火焰面積顯著提升得主要原因可能是等離子體和凹腔的結合作用，提高了超聲速火焰的穩定能力。凹腔本身作為超聲速火焰的穩定器，火焰燃燒后的燃燒產物進入凹腔中。凹腔作為活性池通過剪切層與主流火焰進行質量和能量交換，同時為主流火焰提供熱量和自由基。而滑動弧等離子體強化了這一效果，滑動弧等離子體本身具有較好的熱效應，滑動弧的溫度為1100 K，增強了凹腔的熱量[15]。同時，滑動弧等離子體能夠電離生成更多自由基和活性粒子[16]。其中，產生的臭氧可能起到了助燃作用[17]。臭氧的存續時間在ms量級，足以被回流區的氣流卷吸并補充到火焰中[18]。另外，滑動弧等離子體有明顯的再點火作用[19]。在穩定的主流火焰形成后，滑動弧等離子體能夠將凹腔中未燃燒的燃料重新點著，點燃的火焰將隨著回流區氣流補充到主流火焰中，增大火焰面積，實現助燃效果。

2.3 滑動弧等離子體穩焰

圖8為C-2工況下的超聲速火焰燃燒過程，該工況下火焰不能自持燃燒，點火失敗。由于為斜坡噴注，乙烯噴出后跟隨氣流進入凹腔，導致更多的燃料進入凹腔，使得凹腔內富燃，因此當量比為0.12時凹腔內乙烯過多，導致點燃凹腔剪切層火焰后，火焰不穩定而熄滅。由于該次實驗的滑動弧功率有限，在該工況下施加滑動弧等離子體后不能實現火焰的穩定，但實驗現象可以證明滑動弧等離子體有助于火焰的穩定。t=0 μs時燃燒相對穩定，由于噴注在斜坡上，因此火焰的釋放熱量區域主要集中在凹腔后半段及其上方。350 μs后，駐留區火焰消失，超聲速火焰趨于不穩定并向凹腔后傳播。t=2525 μs時，凹腔內火焰因富燃而消失，主流火焰趨于熄滅。t=2950 μs時，主流火焰前傳到凹腔后角回流區處，而此時主流和凹腔火焰變少，導致燃料未能完全燃燒，等離子體點火器周圍乙烯達到了恰當當量比。此時，滑動弧發生再點火，發生了新的化學反應。25 μs后，部分火焰脫離滑動弧形成初始火核，并向凹腔前緣傳播，主體火焰逐漸變大，但未能向凹腔駐留區傳播。t=3000 μs時初始火核逐漸發展并合并，主體火焰向主流區后方傳播。25 μs后，滑動弧新生成的初始火焰和主體火焰融為一體，共同向凹腔前緣傳播。t=3125 μs時，火焰充滿駐留區并傳播到凹腔前緣，形成凹腔剪切層火焰，600 μs后，火焰再次趨于穩定。在滑動弧未生成新的火焰前，主體火焰雖在傳播，但始終未能傳播至凹腔駐留區處，滑動弧再點火后和主體火焰發生融合，傳播至凹腔駐留區，增強了超聲速火焰的穩定性。可以看出該工況下超聲速火焰處于非常不穩定的狀態，由于凹腔內的流速變化較為復雜，燃料的局部當量比不斷變化，當凹腔中部底壁的局部當量比適中時，滑動弧等離子體點燃了凹腔底壁的乙烯，生成了新的初始火核，隨著初始火核的發展，初始火核逐漸向凹腔前緣傳播并形成駐留區火焰，而凹腔前緣駐留區火焰有助于凹腔火焰和超聲速火焰的穩定[20]。因此,可以說明滑動弧等離子體在不穩定燃燒工況下起到了一定輔助火焰穩定的作用。

3 結論

本文針對不同當量比研究了滑動弧等離子體對超聲速火焰的助燃效果，并觀測到了滑動弧等離子體穩定超聲速火焰現象。研究表明超聲速燃燒中滑動弧等離子體在合適的噴注方案和當量比下具有一定的助燃效果和部分穩定火焰的作用，結論具有一定的普遍性。但需注意的是，在部分工況下(例如貧燃工況)沒有助燃效果，而其具體原因目前尚未探究清晰。

與以往的研究相比，本文的研究重點為滑動弧等離子體在超聲速燃燒中的助燃效果，而非之前的點火過程，具有一定的創新性。本研究為利用低功率等離子體提升超燃沖壓發動機燃燒室性能提供了參考和拓展。下一步，計劃運用更大功率的滑動弧等離子體實現更好的助燃效果。