等离子体强化混合燃气燃烧研究

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摘 要：为验证等离子体对固冲发动机中气相组分燃烧的强化特性，通过建立等离子体助燃理论模型，对有无等离子体条件下的混合燃气在固冲补燃室中的燃烧过程进行了数值和实验研究。研究结果表明：在燃烧室中加入等离子体后，有效促进了混合燃气的链式反应，缩短了燃烧时间；等离子体显著提高了混合燃气的燃烧效率，燃烧效率增加了16.6%。与实验结果对比可知，数值计算结果误差在10%以内，说明所建立的理论模型较为准确地模拟了混合燃气燃烧过程，具有一定的可靠性。

关键词：等离子体；混合燃气；固冲发动机；燃烧效率

中图分类号：V35.12 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）10-0139-04

Study on the Plasma Enhancing Combustion of Mixed Gas

JI Hailong1 FENG Xiping2

（1. China Airborne Missile Academy，Luoyang Henan 471009；2.Key Laboratory of Combustion， Flow and Thermal-Structure， Northwestern Polytechnical University，Xi’an Shaanxi 710072）

Abstract： In order to verify the enhancement characteristics of plasma in gas-phase combustion of the solid ramjet rocket， Numerical and experimental studies were carried out by establishing a theoretical model of plasma-assisted combustion. The result indicated that： the addition of plasma in the combustion chamber effectively promoted the chain reaction of the mixed gas and shortens the burning time； the plasma significantly increased the combustion efficiency of the mixed gas， and the combustion efficiency increased by 16.6%.Compared with the experimental results， the error of numerical calculation was less than 10% which indicated that the theoretical model was relative accurately simulate the combustion process of mixed gas and has a certain reliability.

Keywords： plasma；mixed gas；the solid ramjet rocket；the combustion efficiency

相比于鎂、铝等金属，硼是固冲发动机推进剂的理想高能组分。但是，硼表面往往存在一层致密的氧化层B2O3，且硼粒子具有较高的熔点和沸点，使得硼颗粒点火燃烧困难，抑制着硼所含能量的有效释放，这对固体火箭发动机来说是非常不利的[1，2]。目前，改善硼点火和燃烧的措施主要有调整燃烧室结构、调节推进剂配方和硼粒子包覆等。但是，这些措施均会带来新的问题[3-6]。

等离子体助燃技术是一种极具潜力的动力学强化方式[5，7]。早在20世纪80年代，等离子体助燃技术就被用于解决超音速燃烧中的点火困难和不完全燃烧等问题。2003年，Lou等[8]人研究发现，等离子体可以加快乙烷/氧化物的反应速率，提高热量的释放速度。2011年，Sergey B.Leonov等[9]通过等离子体助燃技术成功实现了在高马赫气流下CH4/H2/空气的点火，并使混合火焰稳定燃烧。2014年，宋振兴[10]等人研究了等离子体助燃的动力学机理，得到氮系和氧系粒子浓度在不同放电时间和频率条件下的变化规律。

等离子体助燃技术发展迅速，主要用于航空航天所涉及的超音速燃烧领域，在固冲发动机中的应用鲜有报道。由于固冲发动机含硼富燃燃气不仅含有气相组分，而且含有固体颗粒，研究难度较大。因此，本文先以固冲发动机一次燃气中的气相组分为研究对象，通过数值计算和点火实验，验证等离子体对补燃室中混合燃气燃烧的强化特性，以此为后续的等离子助燃含硼混合燃气实验和理论研究提供理论支撑。

1 数学物理模型

1.1 基本假设

补燃室中混合燃气燃烧流动非常复杂，为了简化计算，在计算过程中进行如下简化：①混合燃气为理想气体，满足理想气体的状态方程，不考虑辐射换热和体积力；②认为燃气与壁面无热交换，燃气流动为绝热准定常流动；③混合燃气中不可燃烧或质量分数小的成分用氮气代替。

1.2 控制方程

控制方程为笛卡尔坐标系下的Navier Stokes方程，其形式为：

[∂Q∂t+∂E∂x+∂F∂y+∂G∂z=∂Hx∂x+∂Hy∂y+∂Hz∂z+I] （1）

其中，[Hx]、[Hy]、[Hz]为粘性通量，[I]为源项，Q、E、F、G等参数具体意义可以参考相关流体力学文献。

1.3 燃烧模型

混合燃气与空气的反应具备一般同心射流火焰的特征，燃烧室前半段同时存在层流和湍流，后段充分发展为湍流，因此燃烧模型采用有限速率/涡耗散模型描述。

1.4 等离子体助燃模型

为了方便计算，将等离子体以源项（若干自由基）的形式加入燃烧室中，且保证均匀分布。将等离子体作为源项引入Navier Stokes控制方程中，可得出：

[∂∂tρE+∂∂xiuiρE+p=∂∂xikeff∂T∂xi-j"h"jJ"j+uj（τij）eff] （2）

其中，[keff]为传热系数；[J"j]为扩散流量、[h"j]为显焓；[ui]，[uj]分别速度分量。活性基的密度变化采用Boltzmann零阶矩方程表示；动量和能量方程分别采用Boltzmann一阶矩和二阶矩方程表示。

1.5 物理模型

补燃室中混合燃气燃烧流动非常复杂。为了突出补燃室中的湍流扩散燃烧火焰，建立了如圖1所示的物理模型，混合燃气由长尾管进入补燃室，空气由燃气入口外部的环形入口进入，等离子体从距离燃气出口15mm处以源项添加，产生的尾气由喷管出口排出。

1.6 边界条件

以同等条件下通过固冲燃气发生器点火实验得到的一次燃气主要组分作为计算输入的混合燃气组分，燃气具体成分及比例如表1所示。混合燃气流量为0.01kg/s，空气流量为0.3kg/s，等离子体工质流量为0.001kg/s，具体边界条件如表2所示。

2 计算结果

图2（a）和图2（b）分别为未加等离子体和加活性基后燃烧温度分布云图。从图2可知，两种工况下的燃烧室火焰形状基本相同，均呈纺锤形，具有纵向受限扩散火焰结构的一般特征；混合火焰最高温度在燃烧室前部，靠近混合燃气出口位置，最低温度为来流空气温度300K。对比图2（a）与图2（b）两种工况可知，燃烧室中加入等离子体后会对混合燃气产生积极影响，火焰最高温度为2 600K，明显高于图2（a）中未加等离子工况的2 300K，且火焰锋面沿纵向变宽。这主要是因为活性粒子诱发了混合燃气与空气之间的链式反应，加快了混合燃气的反应，释放了更多热量。

图3（a）和图3（b）分别为未加等离子体和加活性基燃烧室压力分布云图。从图3可以看出，两种工况下的燃烧室压力分布均匀，只在喷管处压力变化较大。燃烧室中加入活性粒子后，压强为0.225MPa，与未加等离子体工况燃烧室压强0.161MPa相比，提高了39%。可见，等离子体会对混合燃气产生积极影响，提高了混合燃气的燃烧效率。

图4为未加等离子体和加活性基两种工况下燃烧室中OH浓度沿轴线变化曲线。从图4可知，两种工况下的OH浓度变化趋势基本相同，均在距离燃气入口处约0.3m达到最大，然后约在0.44m处降低为0。这说明混合燃气在燃烧室前半部分即已燃烧完全。需要说明的是，图中显示的加等离子体工况下OH浓度已经除去了由外部加入的那部分OH自由基。可以看出，该工况下OH浓度明显高于未加等离子工况燃烧室中的OH浓度。这是因为加入O等活性粒子后，会与H2和CH4等燃气快速反应（O+H2=OH+H，H+HO2=2OH，O+CH4=CH3+OH等），促进了混合燃气燃烧链式反应，加快了反应进程。OH浓度显著增加，混合燃气燃烧完全后又降低为0。OH被认为是链式反应的活化中心，OH浓度增加也从另一个方面说明等离子体对混合燃气燃烧具有强化作用。

3 实验验证

3.1 实验系统及实验条件

实验系统主要由燃烧室、来流模拟系统、混合燃气供应系统、等离子体系统、数据采集和控制系统以及火焰拍摄装置等组成，燃烧实验装置如图5所示。实验工况包括混合燃气成分、含量等参数与仿真边界条件相同，其中来流空气流量为0.3kg/s，总温为300K，总压为0.27MPa；混合燃气流量为0.01kg/s，相应空燃比为30。混合燃气由储气瓶经管路输送到燃气发生器中，在燃烧室中与来流空气发生扩散燃烧，燃烧产物经尾喷管排出。

3.2 实验结果

在实验过程中，对混合燃气在燃烧室中的火焰进行了拍摄，如图6所示。其中，图6（a）是未加等离子体混合燃气燃烧火焰，图6（b）是加入等离子体后混合燃气燃烧火焰。从图6可知，未加等离子体时，燃烧火焰呈淡蓝色，火焰锋面细长且沿补燃室轴线对称分布。而加入等离子体后，火焰呈亮黄色，在燃烧室前半部分产生炽热的高温区，火焰锋面明显变宽，喷管尾部并没有火焰喷出。这说明在燃烧室中加入等离子体后，有效提高了混合燃气的燃烧效率，燃气在燃烧室中已经燃烧完全，缩短了燃气燃烧时间。

混合燃气由燃气供给系统经管路输送到燃气发生器中。采集燃气发生器中的压强可知，稳定供给时，燃气发生器压力曲线如图7所示，燃气发生器工作压强基本保持不变，为0.711MPa，说明燃气流量稳定在0.01kg/s左右。为了避免空气来流参数和混合燃气参数的差异对实验结果产生影响，在一次点火实验中采取离子体放电5s后，切断等离子体电源，持续10s后再次打开等离子体电源。以等离子体开启和关闭为一个周期，共进行三个周期的方案。图7中突出的三个峰尖为等离子体放电瞬间产生的噪点。

对燃烧室轴向四个不同位置进行了总压和静压采集，其中总压结果如图8所示。在数据记录的前几秒因混合燃气并未点火，燃烧室压力维持在0.118MPa；混合燃气被点燃后，燃烧室压力上升到0.152MPa，并维持稳定；2s后，等离子体开启，燃烧室压力瞬间上升到0.205MPa，并保持稳定；5s后，等离子激励电源关闭，压力又降低为0.118MPa后维持稳定。此次实验中共添加了三次等离子体，等离子体电源开启或关闭燃烧室压力均会产生0.053MPa压力变化。这说明等离子体对混合燃气的燃烧产生了积极影响，提高了燃烧效率和燃烧室的压力。实验中未加等离子体工况和加等离子体工况下的燃烧室压强分别为0.152MPa和0.205MPa，对应的仿真结果分别为0.161MPa和0.225MPa，误差分别为5.5%和8.8%，均在9%以内。总体来说，数值计算结果可以满足一定的精度要求，与实验结果基本相符。

对实验中获得的数据进行了处理，处理结果如表3所示。实验中，由燃烧室总压计算得到未加等离子体和加等离子体工况下实验特征速度分别为485.1m/s和638.1m/s，对应的燃烧效率分别为52.53%和69.13%，在该放电功率下（8kW）燃烧效率增加了16.6%。

4 结论

本文以固冲发动机中一次燃气的气相组分作为研究对象，对有无等离子条件下的燃烧过程进行了仿真计算和实验研究，具体可得出以下结论。

①等离子体（无论是热效应还是化学效应）能够促进混合燃气在固冲燃烧室中燃烧的链式反应，加快了反应进程，缩短了混合燃气燃烧所用的时间，说明等离子体可以缩短混合燃气燃烧所需的燃烧室长度。

②燃烧室中加入等离子体后，显著增加了混合燃气的燃烧效率。在等离子体助燃混合燃气实验中，燃烧效率从52.53%提高到了69.13%，验证了等离子体对混合燃气具有强化作用。

③所建立的理论模型较为真实低模拟了混合燃气燃烧过程，误差在9%以内，具有一定的可靠性。

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