等離子體點(diǎn)火過程的數(shù)值模擬

0等離子體點(diǎn)火器在發(fā)動機(jī)燃燒中的應(yīng)用研究當(dāng)離子火中的高溫和活性物質(zhì)增加時，離子火燃燒可吸收混合天然氣。等離子體點(diǎn)火器具有點(diǎn)火能量大、火舌穿透力強(qiáng)等特點(diǎn),因而等離子體點(diǎn)火能力特別強(qiáng),有利于提高在惡劣工作條件下(特別是高空)起動發(fā)動機(jī)的可靠性。因此對等離子體點(diǎn)火器點(diǎn)燃燃燒室內(nèi)混合氣的點(diǎn)火過程研究可以為等離子點(diǎn)火器在航空發(fā)動機(jī)燃燒室中的實(shí)際應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)儲備,具有十分重要的意義。國內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)在這方面都作了大量的研究[11,12,13,14,15,16,17]。莫斯科物理與技術(shù)學(xué)院的BozhenkovsSM等對甲烷/空氣和氫氣/空氣混合氣的等離子體點(diǎn)火和自點(diǎn)火進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬。俄羅斯莫斯科中央航空動力學(xué)院的Vinogradov等模擬了馬赫數(shù)Ma=3.5的超音速氣流中的等離子體點(diǎn)火。哈爾濱工程大學(xué)動力與核能工程學(xué)院的劉順隆等對等離子體點(diǎn)火器進(jìn)行了3維大渦模擬。本文根據(jù)燃燒室等離子體點(diǎn)火過程中化學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn),以等離子體點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)燃燒室為對象,建立了燃燒室等離子體點(diǎn)火的3維數(shù)值計(jì)算模型,對燃燒室等離子體點(diǎn)火時的化學(xué)反應(yīng)和流場進(jìn)行了數(shù)值模擬,計(jì)算研究了等離子體射流速度、射流溫度和混合氣的進(jìn)口速度等進(jìn)口參數(shù)的變化對燃燒室等離子體點(diǎn)火過程的影響規(guī)律,為在大參數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行燃燒室等離子體點(diǎn)火的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)研究提供理論依據(jù)。1點(diǎn)火數(shù)值模擬數(shù)值模擬以等離子體點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)燃燒室為對象,計(jì)算區(qū)域如圖1所示。由于等離子體點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)燃燒室前后對稱,因此僅將點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)燃燒室的一半作為計(jì)算區(qū)域。計(jì)算區(qū)域長度為150mm,可燃混合氣的進(jìn)口截面的尺寸為80mm×40mm,火焰穩(wěn)定器距混合氣進(jìn)口截面的距離為50mm,從點(diǎn)火器噴出的等離子體射流直徑為6mm,距混合氣進(jìn)口截面的距離為90mm。計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格的總數(shù)為4.7×105,對流場相對復(fù)雜的等離子體點(diǎn)火器出口和火焰穩(wěn)定器附近的網(wǎng)格進(jìn)行了加密來提高計(jì)算精度。燃燒室等離子體點(diǎn)火數(shù)值模擬的邊界條件如下:可燃混合氣為丙烷空氣混合氣,混合氣進(jìn)口設(shè)為速度進(jìn)口邊界;點(diǎn)火器噴出的等離子體射流入口為速度進(jìn)口邊界,速度為10~100m/s,溫度為2000~3000K,工作介質(zhì)為氬氣;壁面為剛性、無滑移、絕熱壁面;出口為壓力出口,壓力為0.101MPa,溫度為300K。等離子體點(diǎn)火過程計(jì)算中采用基元反應(yīng)機(jī)制GRI-Mech3.0,其中包含了53種組分(C3H8、C3H7、H2、H、O、O2、OH、H2O、HO2、H2O2、C、CH、CH2、CH2(S)、CH3、CH4、CO、CO2、HCO、CH2O、CH2OH、CH3O、CH3OH、C2H、C2H2、C2H3、C2H4、C2H5、C2H6、HCCO、CH2CO、HCCOH、N、NH、NH2、NH3、NNH、NO、NO2、N2O、HNO、CN、HCN、H2CN、HCNN、HCNO、HOCN、HNCO、NCO、N2、Ar、CH2CHO、CH3CHO),325種基元反應(yīng)。2燃?xì)獬隹诘交鹧娣€(wěn)定器之間的計(jì)算本章選取的研究區(qū)域?yàn)閳D1中Z=0的截面從燃?xì)獬隹诘交鹧娣€(wěn)定器之間的計(jì)算區(qū)域,截圖左側(cè)為燃?xì)獬隹趥?cè),右側(cè)為近火焰穩(wěn)定器側(cè)。數(shù)值模擬中各個工況的進(jìn)口條件如表1所示。2.1等離子體射流速度影響在工況1和工況2條件下計(jì)算得到的燃燒室中等離子體點(diǎn)火過程分別如圖2和圖3所示。由圖2、圖3可見,等離子體點(diǎn)火器噴出的射流隨時間而逐漸增長,而且由于射流溫度高達(dá)3000K,不斷向周圍傳遞能量,引起射流附近區(qū)域的混合氣燃燒,并逐漸將火焰擴(kuò)展到整個流場區(qū)域,引起整個燃燒室內(nèi)混合氣的燃燒。在等離子體高溫射流進(jìn)入燃燒室后,燃燒區(qū)域向上游的傳播速度遠(yuǎn)大于向下游的傳播速度,首先在上游即火焰穩(wěn)定器后方形成穩(wěn)定燃燒。這是由于在點(diǎn)火計(jì)算模型中,丙烷/空氣混合氣由右側(cè)進(jìn)口進(jìn)入燃燒室,在火焰穩(wěn)定器后方形成回流區(qū),向上游的火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c回流速度疊加,導(dǎo)致燃燒區(qū)域向上游的傳播速度大于向下游的傳播速度。為了驗(yàn)證回流區(qū)的存在,截取了混合氣流受等離子體射流影響較小的Y=0截面如圖4所示。從圖4中可以看到,火焰穩(wěn)定器后形成了明顯的回流區(qū)。對比圖2和圖3可知,等離子體射流速度為100m/s時,燃燒室內(nèi)火焰首先到達(dá)燃燒室底部,隨后接近火焰穩(wěn)定器,并傳播到整個燃燒室流場;而在等離子體射流速度為40m/s時,燃燒室內(nèi)火焰首先沿燃燒室上壁面向火焰穩(wěn)定器傳播,在火焰穩(wěn)定器后形成穩(wěn)定燃燒后向燃燒室底部和后部傳播,從而擴(kuò)展到整個燃燒室。這是由于點(diǎn)火器噴出的等離子體射流方向垂直于燃燒室內(nèi)混合氣的流動方向,火焰沿X軸方向傳播的難度較大,在等離子體射流速度為100m/s時,等離子體射流速度較大,穿透能力強(qiáng),受到X軸方向流動的影響較小,火焰首先到達(dá)燃燒室底部,而在等離子體射流速度為40m/s時,射流速度相對較小,火焰穩(wěn)定器后回流區(qū)的速度疊加作用導(dǎo)致火焰向上游的傳播速度大于向底部的傳播速度,火焰?zhèn)鞑ナ艿絏軸方向流動的影響較大,故首先沿燃燒室頂部向上游傳播。因?yàn)榛鹧嬖诨鹧娣€(wěn)定器后基本可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒,所以本文將點(diǎn)火延遲時間定義為從點(diǎn)火開始到火焰?zhèn)鞑サ交鹧娣€(wěn)定器所用的時間。從圖2和圖3中可以看出,在等離子體射流速度為100m/s和40m/s時,等離子體點(diǎn)火的延遲時間相差不大,約1.6ms,說明等離子體射流速度對點(diǎn)火延遲時間的影響較小,但可以增大高溫射流的穿透能力,直接在燃燒室中心區(qū)域形成燃燒,從而提高等離子體射流的點(diǎn)火能力進(jìn)而提高等離子體點(diǎn)火的可靠性。2.2射流回射及火焰?zhèn)鞑ミ^程的分傳播速度隨時間的疊加分速度的變化在工況3和工況4條件下計(jì)算得到的燃燒室中等離子體點(diǎn)火過程分別如圖5和圖6所示。對比圖5、圖6與圖2、圖3可知,點(diǎn)火器噴出的等離子體射流溫度為2000K時,射流周圍區(qū)域的火焰?zhèn)鞑ニ俣认鄬τ跍囟葹?000K時較低,沿X軸方向的傳播速度較低,點(diǎn)火延遲時間較長。由于等離子體射流溫度越高,與周圍混合氣的溫差越大,向周圍傳遞的能量越多,射流附近區(qū)域的化學(xué)反應(yīng)越劇烈,火焰?zhèn)鞑ニ俣仍酱?點(diǎn)火延遲時間越小。在工況3的計(jì)算條件下,等離子體射流的速度較大,但其附近的火焰?zhèn)鞑ニ俣刃∮诠r1條件下的傳播速度,因此沿X軸的火焰?zhèn)鞑ニ俣认鄬^小,在射流到達(dá)燃燒室底部后火焰才逐漸沿X軸向火焰穩(wěn)定器后回流區(qū)方向傳播,首先在燃燒室底部形成燃燒區(qū),然后沿Y軸方向向燃燒室頂部傳播,不同于射流溫度為3000K時火焰同時沿X、Y軸方向傳播。由于燃燒室底部的回流碰到火焰穩(wěn)定器后速度降為0,使得燃燒室底部區(qū)域壓力增大很快,使火焰沿Y軸向燃燒室頂部傳播的分速度顯著增大,這個分速度大于火焰穩(wěn)定器后X軸方向的回流區(qū)速度和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊寞B加分速度,所以2個分傳播速度的合傳播速度表現(xiàn)為火焰到達(dá)底部后向頂部傳播。在工況4的條件下,由于火焰穩(wěn)定器后回流區(qū)混合氣流速的疊加作用,射流速度小于向上游的火焰?zhèn)鞑ニ俣?火焰首先沿燃燒室頂部向上游方向傳播,但是相對于工況2時,火焰?zhèn)鞑ニ俣认鄬^小,燃燒區(qū)域較小,等離子體點(diǎn)火延遲時間較大。結(jié)合上面的分析,可以通過提高等離子體點(diǎn)火器的射流溫度來降低等離子體點(diǎn)火的點(diǎn)火延遲時間。2.3混合氣進(jìn)口速度對點(diǎn)火的影響在工況5條件下計(jì)算得到的燃燒室中等離子體點(diǎn)火過程的數(shù)值模擬結(jié)果如圖7所示。由圖7可知,在混合氣進(jìn)口速度為30m/s時,燃燒室內(nèi)火焰首先沿上壁面向火焰穩(wěn)定器傳播,在火焰穩(wěn)定器后形成穩(wěn)定燃燒后向燃燒室后部和底部傳播,擴(kuò)展到整個流場區(qū)域。而在圖2中,混合氣進(jìn)口速度為10m/s時,燃燒室內(nèi)火焰首先到達(dá)燃燒室底部,隨后接近火焰穩(wěn)定器,并傳播到整個燃燒室流場。這中差異是由于隨著混合氣進(jìn)口速度的增大,點(diǎn)火射流穿透難度增大,火焰沿上壁面向上游的傳播速度大于向燃燒室底部的傳播速度。在工況5條件下的等離子體點(diǎn)火過程與圖3中工況2條件下點(diǎn)火過程相似,這是由于這2種工況下的混合氣進(jìn)口速度與等離子體射流速度的差距分別相比較工況3與工況1時較小,火焰?zhèn)鞑ナ艿交旌蠚膺M(jìn)口氣流流動的影響較大,使得2者流場中火焰沿Y軸的傳播遠(yuǎn)小于X軸,火焰先沿上壁面向上游方向傳播,再向燃燒室底部傳播,形成相似的點(diǎn)火過程。但在混合氣進(jìn)口速度為30m/s時,等離子體點(diǎn)火延遲時間較長(約2.6ms),遠(yuǎn)大于進(jìn)口速度為10m/s時的(約1.6ms),這是因?yàn)榛旌蠚膺M(jìn)口速度增大會導(dǎo)致點(diǎn)火難度增大,點(diǎn)火延遲時間增長,容易在壁面附近形成點(diǎn)火。混合氣進(jìn)口速度為10~50m/s,溫度為300K,質(zhì)量比為1,等離子體射流速度為100m/s,溫度為1500~3500K時,混合氣點(diǎn)火延遲時間隨等離子體射流溫度和混合氣進(jìn)口速度變化的擬合曲線如圖8、圖9所示。由圖8可知,在等離子體射流速度為100m/s時,混合氣的點(diǎn)火延遲時間隨點(diǎn)火器噴出的等離子體射流溫度的升高而減小。在等離子體射流溫度為2000K時的點(diǎn)火延遲時間為2.7ms;在溫度為3000K時的點(diǎn)火延遲時間為1.6ms;在溫度為3500K時的點(diǎn)火延遲時間比射流溫度為1500K時減小約63.8%,說明等離子體射流溫度對點(diǎn)火延遲時間的影響很顯著,提高等離子體射流溫度可以減小混合氣的點(diǎn)火延遲時間。由圖9可知,等離子體點(diǎn)火的延遲時間隨混合氣進(jìn)口速度的增大而逐漸增長?；旌蠚膺M(jìn)口速度為10m/s時的點(diǎn)火延遲時間為1.6ms,進(jìn)口速度為50m/s時的點(diǎn)火延遲時間為4.3ms,說明混合氣進(jìn)口速度增大會提高燃燒室內(nèi)混合氣的點(diǎn)火難度,導(dǎo)致混合氣的點(diǎn)火延遲時間增長。3點(diǎn)火器噴射的等離子體激發(fā)流場對點(diǎn)火的穿透能力的影響本文通過對不同點(diǎn)火器噴出的等離子體射流的速度、溫度和混合氣進(jìn)口速度等進(jìn)口參