高 偉, 張 弛,,*, 賀春龍, 林宇震,

(1. 北京航空航天大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院, 北京 100191; 2. 航空發(fā)動機(jī)氣動熱力國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100191; 3. 先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)協(xié)同創(chuàng)新中心, 北京 100191)

0 引 言

民用航空發(fā)動機(jī)在不斷提高整機(jī)效率、降低耗油率的同時，還要求越來越低的污染排放，國內(nèi)外對航空發(fā)動機(jī)污染物排放量的限制越來越嚴(yán)格[1-2]。根據(jù)民用航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展趨勢，增壓比不斷提高，日益增長的燃燒室工作壓力和溫度將使氮氧化物(NOx)成為最難控制的污染物[3-4]。從發(fā)展前景及可實(shí)現(xiàn)性等角度考慮，能夠降低燃燒室NOx排放的燃燒技術(shù)主要有富燃-淬熄-貧燃(Rich burn-Quench-Lean burn，RQL)，貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒(Lean Premixed Prevaporized，LPP)以及貧油直接噴射燃燒(Lean Directed Injection，LDI)[2]。從NOx的生成機(jī)理來講，燃燒區(qū)溫度越高，NOx生成越多，因此貧油燃燒是降低燃燒溫度并減少NOx排放的最直接方式，同時，燃燒區(qū)當(dāng)量比和溫度分布的均勻性也對NOx的生成有很大的影響，而LPP可以實(shí)現(xiàn)貧油均勻燃燒，具有大幅降低民用航空發(fā)動機(jī)污染排放的能力[5-6]，是航空發(fā)動機(jī)低排放燃燒的最佳方式[4]。

美國GE的雙環(huán)預(yù)混旋流(TAPS)燃燒室便采用LPP燃燒方式[7]，其LTO循環(huán)NOx的排放比現(xiàn)行CAEP/6標(biāo)準(zhǔn)低50%～65.8%[8]，其他污染物排放指標(biāo)也較CAEP/6有大幅降低，在迄今已取證的民用航空發(fā)動機(jī)中，其污染排放最低。國內(nèi)商用航空發(fā)動機(jī)的低排放燃燒室也采用了貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒，其中，北京航空航天大學(xué)發(fā)展的TeLESS(Technology of Low Emission Stirred Swirler)低排放燃燒技術(shù)采用了中心分級LPP燃燒模式[9-16]，該技術(shù)現(xiàn)已發(fā)展至第二代，其中TeLESS I低排放燃燒室的排放性能比CAEP/6標(biāo)準(zhǔn)降低了50%左右[10]，而TeLESS II的設(shè)計(jì)目標(biāo)比CAEP/6標(biāo)準(zhǔn)降低60%[15-16]。

盡管LPP低排放燃燒模式在降低污染排放方面具有優(yōu)勢，但其本身也存在諸多技術(shù)難題。LPP燃燒室中，在進(jìn)入燃燒區(qū)前，燃料需要在預(yù)混段中噴射、霧化并與助燃空氣均勻混合。燃料預(yù)混預(yù)蒸發(fā)過程面臨著自燃與回火的風(fēng)險(xiǎn)[17-18]，在短時間內(nèi)會對燃燒室頭部結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重?fù)p毀。對于增壓比不斷提高的大型民用渦扇發(fā)動機(jī)，如GE公司的GE9X發(fā)動機(jī)，其增壓比達(dá)到了60,RR公司UltraFan發(fā)動機(jī)的增壓比則超過了70[19]，燃燒室進(jìn)口空氣壓力超過4MPa，溫度接近1000K,在如此極端的高溫高壓燃燒室進(jìn)口來流條件下，航空煤油與空氣預(yù)混氣的自燃時間在0.5ms量級，在如此短的時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速蒸發(fā)和均勻混合，同時避免發(fā)生自燃，成了LPP低排放燃燒室的關(guān)鍵技術(shù)之一。此關(guān)鍵技術(shù)背后，實(shí)質(zhì)上是高溫高壓條件下非均相連續(xù)流動的大分子碳?xì)淙剂弦红F自燃問題，耦合了霧化、蒸發(fā)、混合、化學(xué)反應(yīng)等物理和化學(xué)過程，機(jī)理極其復(fù)雜[20]。

國內(nèi)外對液態(tài)燃料自燃已經(jīng)開展了很多研究工作，一個重要方向?yàn)橐簯B(tài)燃料與氧化劑均勻混氣的化學(xué)自燃，重點(diǎn)關(guān)注預(yù)混氣在各種環(huán)境下的自燃點(diǎn)火延遲時間(ADT)、預(yù)混氣熱力參數(shù)及化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)對自燃點(diǎn)火延遲時間的影響規(guī)律，這部分工作是液態(tài)燃料液霧自燃研究的基礎(chǔ)。液霧自燃是綜合考慮了燃油霧化、蒸發(fā)、油氣混合、化學(xué)反應(yīng)等物理化學(xué)過程的自燃現(xiàn)象，需重點(diǎn)研究各物理化學(xué)因素對自燃過程和自燃點(diǎn)火延遲時間的影響規(guī)律。

本文首先分析航空發(fā)動機(jī)液霧自燃過程，指出液霧自燃的重點(diǎn)研究方向，重點(diǎn)對液霧自燃研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析和總結(jié)，最后提出液霧自燃研究面臨的問題和后續(xù)研究趨勢。

1 航空發(fā)動機(jī)液霧自燃過程及特點(diǎn)

1.1 液霧自燃過程

圖1展示了典型民用航空發(fā)動機(jī)中心分級貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)(LPP)燃燒室主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段內(nèi)發(fā)生液霧自燃的過程示意圖。正常工作狀態(tài)下，主燃級油氣混合物將在火焰筒內(nèi)被預(yù)燃級火焰引燃，并只在火焰筒燃燒區(qū)內(nèi)穩(wěn)定燃燒。當(dāng)發(fā)生自燃時，燃油在預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段內(nèi)無外界能量輸入的情況下自發(fā)燃燒。與燃料的化學(xué)自燃過程不同，液霧自燃還包含燃料噴射、破碎霧化、蒸發(fā)、混合、化學(xué)反應(yīng)等物理化學(xué)過程，液霧自燃特性受上述過程的綜合控制。因此，液態(tài)燃料的自燃點(diǎn)火延遲時間是燃料的噴射霧化、蒸發(fā)混合及化學(xué)反應(yīng)耦合作用的綜合結(jié)果。

圖1 中心分級低排放燃燒室內(nèi)液霧自燃過程

Fig.1Sprayautoignitionininternally-stagedlowemissioncombustor

1.2 液霧自燃特點(diǎn)

液霧自燃各過程在時間和空間上存在很大程度的交疊與相互影響，液霧自燃點(diǎn)火延遲時間并不是上述各過程特征時間的簡單疊加。燃油噴射過程中射流的Rayleigh-Taylor(R-T)不穩(wěn)定性和Kelvin-Helmholtz(K-H)不穩(wěn)定性主導(dǎo)了燃油射流破碎[21]，決定了后期的液霧分布，是一種典型的隨機(jī)過程。目前的研究表明液霧自燃也存在隨機(jī)性，說明燃料噴射與液霧自燃隨機(jī)性之間存在一定的關(guān)聯(lián)[20]。但是，燃料噴射霧化的非定常特性在向下游遷移的過程中，由于受到蒸發(fā)、混合及化學(xué)反應(yīng)過程的影響而發(fā)生變化，其導(dǎo)致的液霧自燃隨機(jī)性特征并不等同于噴霧的隨機(jī)性特征。

探索液霧自燃各過程的時空邊界，確定物理化學(xué)參數(shù)對液霧自燃的影響規(guī)律，揭示影響因素與液霧自燃點(diǎn)火延遲時間之間的定性定量關(guān)系，是液霧自燃的研究重點(diǎn)，同時液霧自燃的隨機(jī)性統(tǒng)計(jì)規(guī)律及其與非定常液霧噴射之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)也是液霧自燃研究非常重要的方向。在液霧自燃的物理和化學(xué)過程中，化學(xué)自燃與燃料的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)特性相關(guān)，國內(nèi)外對其認(rèn)識也比較深入和成熟，其研究方法和研究結(jié)果對液霧自燃具有很大的參考意義和啟發(fā)作用。

2 化學(xué)自燃研究

2.1 化學(xué)自燃實(shí)驗(yàn)裝置

航空煤油多組分大分子碳?xì)淙剂系娜紵磻?yīng)機(jī)理是進(jìn)行燃燒室設(shè)計(jì)、燃燒性能和污染排放預(yù)測及燃燒數(shù)值模擬的基礎(chǔ)[22-23]。燃燒化學(xué)動力學(xué)研究包含2個重要方面：(1) 復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的構(gòu)建；(2) 化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的簡化。無論是碳?xì)淙剂系脑敿?xì)反應(yīng)機(jī)理還是簡化反應(yīng)機(jī)理都必須通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其準(zhǔn)確性和精度。燃料的化學(xué)自燃點(diǎn)火延時時間是驗(yàn)證燃燒反應(yīng)機(jī)理模型合理性和正確性的重要依據(jù)之一[23]。

通常采用激波管[24-36]、快速壓縮機(jī)[37-43]和化學(xué)流動反應(yīng)器[44-54]等實(shí)驗(yàn)裝置研究燃料的化學(xué)自燃點(diǎn)火延遲時間特性。對液態(tài)燃料的化學(xué)自燃而言，為了消除燃料霧化、蒸發(fā)、混合等物理因素的影響，需要在反應(yīng)器之前使用快速預(yù)混段[45]，燃料與氧化劑進(jìn)入管道內(nèi)，實(shí)現(xiàn)快速蒸發(fā)和均勻混合。

激波管(Shock tube)工作原理如圖2所示。封閉管道中，用隔膜將管道分成兩段，一段為高壓驅(qū)動氣體，通常采用氦氣[25,28,30,35-36]或氦氣/氮?dú)饣旌衔颷31-32,34]，另一段為低壓可燃混氣或氣溶膠。在一定條件下，隔膜破裂，高壓氣體膨脹并產(chǎn)生激波，壓縮低壓工作氣體使其達(dá)到初始壓力和溫度條件[25]。激波管測量初始壓力范圍一般在0.1～3.0MPa，甚至更高，初始溫度范圍1000～2000K，適用于短點(diǎn)火延遲時間的測量。

圖2 激波管Fig.2 Schematic of shock tube

快速壓縮機(jī)(RCM)預(yù)先在封閉容器內(nèi)充入均勻可燃混氣，利用活塞對其進(jìn)行快速絕熱壓縮，達(dá)到初始壓力和溫度條件[37]，自燃反應(yīng)將引起反應(yīng)器內(nèi)的壓力升高，點(diǎn)火延遲時間則是基于反應(yīng)器內(nèi)的壓力曲線拐點(diǎn)來確定，快速壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)見圖3?？焖賶嚎s機(jī)測量初始壓力范圍一般為0.5～3.0MPa，初始溫度范圍600～1000K，適合較長點(diǎn)火延遲時間的測量，可在低溫下研究碳?xì)淙剂系腘TC效應(yīng)[37,39,40,42]以及二級點(diǎn)火延遲特性。

圖3 快速壓縮機(jī)Fig.3 Schematic of rapid compression machine

化學(xué)流動反應(yīng)器(Chemical flow reactor)如圖4所示，將燃料與氧化劑注入管道內(nèi)，實(shí)現(xiàn)快速預(yù)混，盡量減少物理延遲的影響，并達(dá)到一定初始條件，在管道流動過程中測量點(diǎn)火延遲時間[44]?；旌显诠軆?nèi)流動過程中實(shí)現(xiàn)，需要特別的設(shè)計(jì)以快速摻混。由于不考慮或盡量減少燃料霧化、蒸發(fā)、混合等物理過程的影響，故實(shí)驗(yàn)結(jié)果是化學(xué)自燃點(diǎn)火延遲時間。

圖4 流動反應(yīng)器Fig.4 Schematic of flow reactor

2.2 化學(xué)自燃點(diǎn)火延遲時間

環(huán)境溫度、壓力、混氣當(dāng)量比和混氣成分是燃料化學(xué)自燃特性的主要影響因素。國內(nèi)外學(xué)者對此展開了大量的研究，并取得豐富成果，獲得了不同影響因素下多種碳?xì)淙剂系狞c(diǎn)火延遲時間計(jì)算模型，揭示并驗(yàn)證了很多化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。

早期研究表明，燃料的化學(xué)點(diǎn)火延遲時間隨混氣溫度的提高而單調(diào)減小[26-27]。隨著測試方法精度的提升和研究的深入，越來越多的研究表明燃料的化學(xué)點(diǎn)火延遲時間與混氣溫度呈現(xiàn)出復(fù)雜的依賴關(guān)系[24,28,33,35,37,39,40,42]。結(jié)果表明：高溫(>1000K)條件下點(diǎn)火延遲時間隨溫度升高而減小，而在一定的低溫范圍內(nèi)(600～900K)，出現(xiàn)點(diǎn)火延遲時間隨溫度升高而增大的負(fù)溫度系數(shù)(NTC)效應(yīng)[33,35,37,39,40,42]。對于不同的燃料，出現(xiàn)NTC現(xiàn)象的溫度范圍是不同的[24,33,35,37,42]。而混氣壓力越高，燃料的化學(xué)點(diǎn)火延遲時間越短[25,31,46,50,55]。航空燃料的化學(xué)點(diǎn)火延遲時間與壓力存在指數(shù)關(guān)系τign∝pn，一般n介于-0.75～-1.5之間[25,55,56]。燃料的化學(xué)點(diǎn)火延遲時間隨當(dāng)量比呈現(xiàn)出較復(fù)雜的關(guān)系，當(dāng)壓力較低時，點(diǎn)火延遲時間隨當(dāng)量比提高而增大，而當(dāng)壓力較高時，兩者的依賴關(guān)系則相反[30]。部分研究者還研究了混氣成分對燃料化學(xué)自燃的影響[49,57-58]，結(jié)果表明，加入H2O、NO、CO2等成分會對化學(xué)反應(yīng)有促進(jìn)或抑制作用，從而改變?nèi)剂系狞c(diǎn)火延遲時間。

針對燃料的自燃點(diǎn)火延遲時間，現(xiàn)已建立了很多相似的自燃關(guān)系式，其中大部分自燃研究的點(diǎn)火延遲時間都整理為初始溫度和反應(yīng)物濃度的Arrihenius關(guān)系式，體現(xiàn)了溫度、壓力、當(dāng)量比或反應(yīng)物濃度對化學(xué)點(diǎn)火延遲時間的影響規(guī)律。表1給出了部分典型的化學(xué)點(diǎn)火延遲時間關(guān)系式。

表1 燃料的化學(xué)點(diǎn)火延遲時間關(guān)系式Tablel 1 Chemical ignition delay time formulas of fuel

2.3 化學(xué)自燃的反應(yīng)機(jī)理

目前，復(fù)雜大分子碳?xì)淙剂系脑敿?xì)反應(yīng)機(jī)理構(gòu)建可采用機(jī)理生成程序自動生成[23]，反應(yīng)機(jī)理自動生成過程中的關(guān)鍵一步是確定高溫與低溫反應(yīng)的路徑。碳?xì)淙剂先紵龣C(jī)理中，烷基自由基與氧生成烷基過氧自由基(R+O2=ROO)是區(qū)別高溫和低溫機(jī)理的最關(guān)鍵的反應(yīng)，由于是強(qiáng)放熱反應(yīng)，其平衡常數(shù)強(qiáng)烈地依賴于溫度，低溫下有利于ROO的生成，而高溫下有利于反應(yīng)R+O2=R′+HO2，因而R+O2反應(yīng)生成ROO及后續(xù)反應(yīng)在高溫下不考慮，而在低溫下起關(guān)鍵作用，上述原因?qū)е铝颂細(xì)淙剂显诟邷?T>1000K)和低溫(T<1000K)下的反應(yīng)機(jī)理不同[62]。而碳?xì)淙剂系蜏厝紵囊粋€重要特征是自燃點(diǎn)火延遲時間的負(fù)溫度系數(shù)(NTC)效應(yīng)。

大分子碳?xì)淙剂系娜紵磻?yīng)機(jī)理包含上百個中間體和自由基組分及數(shù)以千計(jì)的基元反應(yīng)，如此龐大的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理通常無法直接應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)燃燒室中的復(fù)雜湍流燃燒數(shù)值模擬。因此，必須對燃料的詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行簡化[62]。目前國際上通用的辦法是依據(jù)碳?xì)淙剂系淖匀键c(diǎn)火延遲時間、火焰?zhèn)鞑ニ俣?、燃燒產(chǎn)物進(jìn)程等數(shù)據(jù)對反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行簡化。例如，國內(nèi)利用點(diǎn)火延遲時間實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)展并驗(yàn)證了正壬烷[24]、正癸烷[63]、正十二烷[23]、正十四烷[64]等碳?xì)淙剂系脑敿?xì)反應(yīng)機(jī)理和簡化機(jī)理。

3 液霧自燃

如前所述，液霧自燃是多個物理化學(xué)過程的耦合作用結(jié)果，需要研究的影響因素和途徑眾多，需要控制的初始條件和邊界條件復(fù)雜，這意味著用于研究液霧自燃的實(shí)驗(yàn)裝置完全不同于化學(xué)自燃的實(shí)驗(yàn)裝置。

3.1 液霧自燃實(shí)驗(yàn)裝置

常見用于研究液霧自燃問題的實(shí)驗(yàn)裝置包括液霧定容彈和液霧流動反應(yīng)器等。液霧定容彈主要用于研究內(nèi)燃機(jī)中的燃料自燃問題，其特點(diǎn)為自燃的物理化學(xué)過程發(fā)生在一個近似定容、靜止的環(huán)境中，環(huán)境流動性不強(qiáng)，主要依靠燃料自身噴射的霧化、蒸發(fā)、混合過程。這種研究方法便于控制、實(shí)現(xiàn)和推廣，具有相應(yīng)的測試標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備[65-66]。

而液霧流動反應(yīng)器不但能夠較好地模擬液體燃料噴射、流動、燃燒等情況，還能較真實(shí)地反映氣流連續(xù)流動對燃油霧化、蒸發(fā)和混合過程的影響，所測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更適合作為燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的設(shè)計(jì)依據(jù)。但這對實(shí)驗(yàn)臺能力要求較高，需要連續(xù)的高溫高壓氣流[60]，試驗(yàn)過程復(fù)雜，測試難度較大。

此外，還需要考慮液霧流動反應(yīng)器中燃油噴射是否連續(xù)的問題。液霧流動反應(yīng)器的空氣流動是連續(xù)的，同時燃油也是連續(xù)噴射，可以根據(jù)噴油位置和發(fā)生火焰位置之間的距離換算點(diǎn)火延遲時間，這種液霧自燃現(xiàn)象與發(fā)動機(jī)中的現(xiàn)象最為接近。還可采用燃油瞬時噴射的方式，通過測量噴油和出現(xiàn)火焰之間的時間差，作為點(diǎn)火延遲時間[66]。

液霧流動反應(yīng)器和液霧定容彈的共同點(diǎn)是自燃過程都存在燃料的霧化、蒸發(fā)、混合及化學(xué)反應(yīng)等物理化學(xué)過程，測量的燃料點(diǎn)火延遲時間都是上述過程的綜合作用結(jié)果[67]，不同于單純的化學(xué)自燃點(diǎn)火延遲，其測試難度和數(shù)據(jù)不確定性也相對更大。

3.2 自燃過程測試方法

根據(jù)測量對象是發(fā)生自燃的時間參數(shù)還是空間參數(shù)，自燃點(diǎn)火延遲時間測試方法可分為2種：一種為時間法，直接測量噴射和自燃信號之間的時間；另一種是距離法，測量噴射和自燃信號之間的位置，根據(jù)流速計(jì)算延遲時間[68]。而根據(jù)自燃發(fā)生后相關(guān)信號參數(shù)檢測方法的不同，測試方法可以分為兩大類：一是傳統(tǒng)的壓力躍升法，適合于激波管、快速壓縮器、定容彈等增壓燃燒方式；二是測量燃料噴射的信號及燃料化學(xué)反應(yīng)后的OH和CH等基團(tuán)的熒光信號或化學(xué)發(fā)光信號[44]，通過兩者之間的時間差確定點(diǎn)火延遲時間τ=tignition-tinjection[51,55]。

圖5給出了3種自燃點(diǎn)火延遲時間的判斷方法示意圖，其中(a)為壓力躍升法，(b)為燃料噴射和化學(xué)反應(yīng)發(fā)光測試法，(c)為距離法。

4 定容彈的液霧自燃

4.1 影響因素和機(jī)理

液霧定容彈主要用于研究內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部各物理化學(xué)因素對液霧自燃的影響規(guī)律和機(jī)理。Wang[69]等采用液霧定容彈研究了液態(tài)燃料噴射到靜止空氣中的液霧自燃特性，發(fā)現(xiàn)靜止空間中液滴蒸發(fā)吸熱作用對液霧自燃的影響不能忽視。初始湍流度、總當(dāng)量比和初始液滴尺寸對自燃有著顯著的影響，這些初始條件通過影響液態(tài)燃油初始階段的蒸發(fā)混合進(jìn)而影響自燃，湍流可以促進(jìn)油氣混合而縮短點(diǎn)火延遲時間，高當(dāng)量比可引起大量自燃火核的出現(xiàn)，液霧的非均質(zhì)多分散性對自燃具有很大的影響[70]。在液體射流下游，液霧與周圍氣流的速度差也會產(chǎn)生局部的湍流旋渦，從而強(qiáng)化油氣混合，影響液霧自燃[67]。

4.2 碳?xì)淙剂螪CN值

內(nèi)燃機(jī)中常采用的衍生十六烷值(DCN)就是定容條件下的液霧自燃測試結(jié)果。衍生十六烷值(DCN)是根據(jù)十六烷值(CN)發(fā)展而來的一種描述碳?xì)淙剂献匀键c(diǎn)火特性的標(biāo)準(zhǔn)綜合參數(shù)[67]，有專門的測試標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備[65-66](液霧定容彈結(jié)構(gòu)圖如圖6所示)。DCN值越大，代表燃料的點(diǎn)火延遲時間越短，越容易發(fā)生自燃，這個點(diǎn)火延遲包括了物理和化學(xué)的共同作用。

測試DCN值的方法與設(shè)備主要有2種：一是點(diǎn)火品質(zhì)測試儀(IQT)[65]，相應(yīng)的DCN計(jì)算公式為DCN=4.46+186.6/ADT，可精確測量的點(diǎn)火延遲時間范圍為3.1～6.5ms，對應(yīng)的DCN值范圍64～33,IQT測試結(jié)果如圖7所示；二是燃料點(diǎn)火測試儀(FIT)[66]，其計(jì)算公式為DCN=150.4/ADT+5.3，可精確測量的點(diǎn)火延遲時間范圍為2.87～4.89ms，對應(yīng)的DCN值范圍59.6～35.0。

(a) Pressure rise method[35]

(b) Optical signal test method[51]

(c) Autoigniton distance measurement method[68]

煤油的DCN值一般在30～60范圍內(nèi)[71]。表2給出了一些航空燃料及其替代燃料的DCN值。

事實(shí)上，受物理和化學(xué)的共同作用，燃料的揮發(fā)性、吸熱反應(yīng)及活化能都會影響到燃料的DCN值。一般具有高揮發(fā)性、吸熱少、化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)等特性的燃料擁有高的DCN值，或者說短的點(diǎn)火延遲時間。比如對航空替代燃料Sasol IPK而言，除了燃料組分的化學(xué)反應(yīng)度低的原因外，盡管其揮發(fā)性非常好，但受其顯著的蒸發(fā)吸熱和吸熱反應(yīng)影響，點(diǎn)火前定容腔溫度將明顯下降，導(dǎo)致其DCN值偏小，點(diǎn)火延遲時間變長[67]。

圖6 液霧定容彈結(jié)構(gòu)示意圖[65]Fig.6 Combustion chamber schematic[65]

圖7 IQT測試結(jié)果[65]Fig.7 Test result of IQT[65]

表2 典型航空燃料及其替代燃料的DCN值Table 2 DCN value of typical aviation fuel and alternative fuel

5 流動反應(yīng)器的液霧自燃

5.1 液霧自燃點(diǎn)火延遲時間

20世紀(jì)70年代NASA Lewis研究中心的Marek等[76]采用液霧流動反應(yīng)器(見圖8)對Jet A進(jìn)行了自燃實(shí)驗(yàn)研究，獲得了壓力0.54～2.50MPa、溫度550～700K、當(dāng)量比0.3～0.7條件下的自燃邊界，液霧自燃點(diǎn)火延遲時間(ADT)在110～150ms范圍內(nèi)，并且在研究中考慮了自燃前的緩慢裂解和氧化反應(yīng)的影響。20世紀(jì)80年代后，高速攝像技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，Marek等[77]將其應(yīng)用于自燃實(shí)驗(yàn)研究，拍攝記錄了流速20～115m/s、壓力2.5MPa、溫度600～700K和當(dāng)量比0.4～0.9范圍內(nèi)的自燃火焰圖像，并研究了壁面邊界層對預(yù)混Jet A自燃特性的影響。

圖8 NASA Lewis研究中心流動反應(yīng)器[76]Fig.8 NASA Lewis flow reactor[76]

由于液霧自燃過程復(fù)雜，多種影響因素相互交織，研究難度大，早期研究雖然得到一些比較明確的結(jié)論(比如自然延遲時間受壓力和溫度影響)，但受測試手段和理論模型的限制，有些結(jié)論互相排斥，如Stringer等[78]認(rèn)為油氣比、速度和湍流度對液霧點(diǎn)火延遲影響不大，但另一些研究者則認(rèn)為油氣比對自燃點(diǎn)火影響很大，而且噴嘴結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生影響[76]。事實(shí)上，液霧自燃延遲時間包括了液霧形成時間、蒸發(fā)混合時間和化學(xué)反應(yīng)時間，而且它們不是簡單的串聯(lián)關(guān)系，而是同時發(fā)生的，而氣動參數(shù)、流動狀態(tài)、燃料性質(zhì)等因素對以上各階段的影響具有非單調(diào)和非線性的特征，因此不同研究者和研究設(shè)備的研究結(jié)論之間會存在較大的差異[79]。

近年來，隨著光學(xué)測試手段在燃燒學(xué)研究中的廣泛應(yīng)用，部分研究者對液霧自燃的細(xì)節(jié)進(jìn)行了研究。Hinkeldey等[80-81]采用激光誘導(dǎo)熒光(LIF)、米氏散射(Mie)、化學(xué)發(fā)光等光學(xué)診斷技術(shù)，在連續(xù)燃油噴射的液霧流動反應(yīng)器中對Jet A-1和正庚烷等碳?xì)淙剂系囊红F自燃開展研究，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)局部液霧非均相特征(液滴尺寸、蒸發(fā)、兩相傳輸?shù)?對液霧自燃有較大影響，同時，由于油氣混合不完全，液霧自燃總是發(fā)生在流動中反應(yīng)最強(qiáng)的地方，從而消除了純化學(xué)點(diǎn)火延遲中的NTC效應(yīng)。Sims等[82]采用脈沖瞬時燃油噴射的液霧流動反應(yīng)器研究液霧自燃問題，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于液霧燃燒，總當(dāng)量比對自燃基本上沒有影響。值得注意的是，上述研究中，燃料都采用了與空氣流動同軸噴射的方式。Gordon等[83]實(shí)驗(yàn)研究了流動對乙醇、丙酮、庚烷、柴油和生物柴油等液體燃料液霧自燃特性的影響，并采用湍流發(fā)生器研究湍流對液霧自燃的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，燃料揮發(fā)性對自燃有很大影響，隨著燃料揮發(fā)性的降低，火焰呈現(xiàn)大量的單液滴離散燃燒現(xiàn)象。圖9為實(shí)驗(yàn)所使用的流動反應(yīng)器。

圖9 劍橋大學(xué)流動反應(yīng)器[83]Fig.9 Cambridge University flow reactor[83]

目前，國外對于液霧自燃點(diǎn)火延遲時間的研究絕大部分均借鑒了化學(xué)自燃的方法，即將自燃點(diǎn)火延遲時間總結(jié)為溫度、壓力、反應(yīng)物濃度及活化能的關(guān)系式，如表3所示。但在這些關(guān)系式中無法直觀反映霧化、蒸發(fā)及混合過程對自燃點(diǎn)火延遲時間的影響，且缺乏對液霧自燃各物理化學(xué)過程特征時間與液霧自燃時間耦合關(guān)系的深入研究。

表3 液霧自燃點(diǎn)火延遲時間關(guān)系式Tablel 3 Formulas of spray autoignition delay time

5.2 液霧自燃隨機(jī)性

Beerer等[51]通過高頻測量流動反應(yīng)器中的燃油噴射和發(fā)生自燃的時間差來確定點(diǎn)火延遲時間，多次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)所測得的數(shù)據(jù)存在15%的波動。Hinkeldey等[80]在連續(xù)流動反應(yīng)器中對預(yù)先霧化的Jet A-1和正庚烷等碳?xì)淙剂系耐S射流液霧自燃開展研究，發(fā)現(xiàn)自燃發(fā)生的位置存在隨機(jī)性，自燃點(diǎn)火延遲時間具有較大的不確定性，但由于實(shí)驗(yàn)次數(shù)較少，只是觀察到了該類現(xiàn)象，沒有統(tǒng)計(jì)規(guī)律。Gordon等[83]在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)液霧是以分散的液滴形式噴入到湍流中，液霧自燃的第一個自燃火核出現(xiàn)的位置在空間上存在隨機(jī)性，但沒有給出隨機(jī)分布的規(guī)律。Mastorakos[84]指出，采用先進(jìn)測試手段獲得自燃點(diǎn)火延遲時間的統(tǒng)計(jì)規(guī)律是自燃研究的一個重要方向，但目前沒有相關(guān)研究人員通過大量的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)來研究該隨機(jī)性問題，也沒有從理論分析的角度探討該隨機(jī)性的產(chǎn)生機(jī)制和影響因素。Georgia大學(xué)的研究者發(fā)現(xiàn)，流動反應(yīng)器(如圖10所示)進(jìn)口溫度會影響液霧自燃火核的演化和位置，溫度越低，自燃火核發(fā)生的隨機(jī)性越強(qiáng)[85]。

圖10 佐治亞流動反應(yīng)器[85]Fig.10 Georgia flow reactor[85]

5.3 國內(nèi)液霧自燃研究進(jìn)展

國內(nèi)也對航空煤油及其主要碳?xì)浣M分開展了液霧自燃點(diǎn)火延遲時間及其隨機(jī)性的研究，目的是提出航空發(fā)動機(jī)燃燒室防自燃設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)研究所通過模擬實(shí)驗(yàn)開展燃油液霧在加力燃燒室進(jìn)口高溫高速氣流中自燃規(guī)律的研究[86]，通過測量噴油位置到火焰位置的著火延遲距離和流速來計(jì)算點(diǎn)火延遲時間，給出了油霧自燃點(diǎn)火延遲時間與燃?xì)饬鲃铀俣取⑷細(xì)鉁囟?、噴油壓力等的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)所用的流動反應(yīng)器見圖11。

圖11 沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)研究所流動反應(yīng)器[86]Fig.11 Shenyang Engine Design Institute flow reactor[86]

北京航空航天大學(xué)則采用了瞬時燃油噴射的流動反應(yīng)器對航空煤油及其主要組分橫向噴射到高溫高壓流動環(huán)境中的液霧自燃開展了研究[87]，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖12所示，包括高溫高壓純凈供氣系統(tǒng)、流動反應(yīng)器、燃油噴射系統(tǒng)、測試系統(tǒng)以及排氣系統(tǒng)，高溫高壓純凈空氣系統(tǒng)可提供最高壓力4MPa、最高溫度1200K的純凈空氣來流。

圖12 液霧自燃實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡圖[87]Fig.12 Experimental system of spray autoignition[87]

北京航空航天大學(xué)流動反應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖如圖13所示，內(nèi)流道總長度約500mm，燃料在流道內(nèi)的駐留時間約為10ms。流動反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)段的上壁、側(cè)壁和后壁面均開有觀察窗，便于光學(xué)測量。實(shí)驗(yàn)中采用了一套高頻燃油噴射系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)燃油毫秒級的高響應(yīng)噴射控制，單脈沖噴油時長20ms，脈沖間隔200ms，噴射孔徑為0.5mm。采用光電傳感器(響應(yīng)時間<0.1ms)記錄燃油噴射的時刻，采用光電倍增管(響應(yīng)時間<0.05ms)記錄自燃火核出現(xiàn)的時刻，液霧自燃點(diǎn)火延遲時間(ADT)定義為兩者的時間差，如圖14所示。同時，借用高速攝像(頻率10kHz)記錄自燃火核的生成及發(fā)展過程。

圖13 北航流動反應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖Fig.13 Structure of BUAA flow reactor

圖14 液霧自燃特性測試原理及點(diǎn)火延遲時間定義Fig.14 Test principle and the definition of ADT

采用上述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)方法，北京航空航天大學(xué)在來流壓力1.7MPa、溫度785K、燃油噴嘴出口韋伯?dāng)?shù)250、燃油/空氣動量比55的工況下，對正癸烷(n-decane)開展了300次連續(xù)的液霧自燃測試，研究自燃點(diǎn)火延遲時間分布特性和自燃火核演化規(guī)律。圖15給出了300次正癸烷液霧自燃點(diǎn)火延遲時間的頻數(shù)分布圖(其中，n為某個時間出現(xiàn)的次數(shù)，N為總實(shí)驗(yàn)次數(shù),兩者的比值為某個時間出現(xiàn)的頻數(shù))，其自燃點(diǎn)火延遲時間存在一定的概率分布特性，分布范圍為2.8～4.4ms，出現(xiàn)頻數(shù)最多的點(diǎn)火延遲時間在3.3ms附近。

圖15 ADT頻數(shù)分布曲線圖Fig.15 Probability of distribution of ADT

采用概率密度函數(shù)f(x)=d[n/N]/dt的概念，對點(diǎn)火延遲時間的概率密度分布進(jìn)行分析。正癸烷液霧自燃點(diǎn)火延遲時間的概率密度函數(shù)符合二階高斯函數(shù)分布形式，如式(1)所示，置信區(qū)間為92.3%。

(1)

在正癸烷液霧自燃實(shí)驗(yàn)中，采用高速攝像記錄液霧自燃過程中火核的形成及發(fā)展過程，重點(diǎn)關(guān)注自燃的初始階段，選取自燃孤立火核進(jìn)行研究。圖16展示了2個連續(xù)的孤立火核在受限空間內(nèi)的發(fā)展過程，黑色箭頭為來流方向，虛線圓圈處的火核為所研究的自燃火核，黑色圓圈代表先發(fā)生的1號火核，紅色圓圈代表后發(fā)生的2號火核?？梢钥闯觯?號火核，隨著時間的推進(jìn)，順著來流向下游移動,同時由于火焰面的扭曲拉伸，使得火核的外表面呈現(xiàn)不規(guī)則的曲線，0.4ms后火核的面積逐漸變小，0.7ms時該火核已經(jīng)消失；2號火核，隨著時間的推進(jìn)，火核面積有所增加，當(dāng)火核面積增加到一定程度時，該火核就會分裂出多個火核，這是由于火焰?zhèn)鞑ヅc流動相互耦合作用使得火焰面破裂，進(jìn)而使得火核分裂。

圖16 火核移動過程Fig.16 Transition process of autoignition kernels

目前對液霧自燃隨機(jī)性的研究仍處于初步研究階段，僅從實(shí)驗(yàn)中確定了隨機(jī)性的存在并獲得初步的統(tǒng)計(jì)特性規(guī)律。自燃隨機(jī)性與燃料非定常噴射、霧化及混合之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)還有待研究，并且在實(shí)驗(yàn)中需要完善對來流湍流狀態(tài)參數(shù)的測量，比如速度分布、溫度分布、湍流脈動等。

5.4 液霧自燃研究發(fā)展趨勢

根據(jù)公開文獻(xiàn)，表4總結(jié)了國內(nèi)外流動反應(yīng)器液霧自燃實(shí)驗(yàn)研究的情況。由表4可見，目前針對液霧自燃的研究相對較少，雖然燃料涵蓋了航空煤油、柴油、生物柴油及單組分等多種碳?xì)淙剂?，但研究的壓力、溫度范圍與目前的民用航空發(fā)動機(jī)工作參數(shù)存在較大差異，除了早期少數(shù)研究針對高壓流動情況外(但測試精度較低)，大部分研究中的環(huán)境壓力偏低。從民用航空發(fā)動機(jī)的增壓比發(fā)展趨勢來看，燃燒室的入口壓力和溫度會更高，而壓力和溫度是液霧自燃的主要影響因素，所以后續(xù)液霧自燃研究應(yīng)針對更高的壓力和溫度開展。

同時，有待深入開展液霧自燃點(diǎn)火延遲時間的隨機(jī)性理論研究。建立涵蓋燃料噴射、霧化、蒸發(fā)、混合、化學(xué)反應(yīng)等過程時間序列的液霧自燃延遲時間理論模型，考慮空氣壓力和溫度、燃油壓力和溫度、化學(xué)當(dāng)量比等影響因素，結(jié)合不確定性量化分析方法，探索液霧自燃隨機(jī)性產(chǎn)生的內(nèi)在機(jī)制及其影響因素。建立液霧自燃點(diǎn)火延遲時間的隨機(jī)性統(tǒng)計(jì)模型并進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)展具有普適性的液霧自燃隨機(jī)性定量描述方法，且具備不同工況下的外推能力，從而支持寬工況極端條件下的航空發(fā)動機(jī)燃燒室設(shè)計(jì)與研發(fā)。

還需要研究來流條件中的非定常因素及系統(tǒng)測量誤差對液霧自燃隨機(jī)性的影響，提升測試系統(tǒng)精度和光學(xué)診斷能力，對噴霧、流動和自燃同步測量，探索三者的內(nèi)在聯(lián)系。

表4 流動反應(yīng)器液霧自燃實(shí)驗(yàn)研究Table 4 Experimental researches of spray auto-ignition in flow reactors

6 結(jié) 論

本文介紹了航空發(fā)動機(jī)中預(yù)混預(yù)蒸發(fā)過程的液霧自燃問題，并對液霧自燃相關(guān)過程及研究方法進(jìn)行了總結(jié)，分析了實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀，探討了目前存在的問題及后續(xù)的發(fā)展趨勢。

不同于均勻可燃混氣的化學(xué)自燃問題，航空發(fā)動機(jī)中的液霧自燃存在液態(tài)燃料噴射、霧化、蒸發(fā)、混合及化學(xué)反應(yīng)等多個物理化學(xué)過程。液霧自燃可采用液霧流動反應(yīng)器和液霧定容彈開展實(shí)驗(yàn)研究，其中流動反應(yīng)器可模擬燃?xì)廨啓C(jī)的自燃發(fā)生過程，而液霧定容彈則更適用于內(nèi)燃機(jī)研究。液霧自燃研究的發(fā)展趨勢是在航空發(fā)動機(jī)燃燒室的極端高溫高壓條件下結(jié)合先進(jìn)的光學(xué)診斷技術(shù)，確定液霧自燃的點(diǎn)火延遲時間和自燃發(fā)生過程。

現(xiàn)階段，液霧自燃特性的研究主要是尋找壓力、溫度、當(dāng)量比等宏觀參數(shù)與自燃點(diǎn)火延遲時間的關(guān)系，建立液霧自燃點(diǎn)火延遲時間經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，而對液霧自燃過程和點(diǎn)火延遲隨機(jī)性的研究相對較少。為了研究液霧自燃隨機(jī)性問題，需要采用高頻脈沖瞬時燃油噴射方式獲取大量的液霧自燃數(shù)據(jù)，重點(diǎn)關(guān)注自燃點(diǎn)火延遲時間的概率分布與自燃火核的演變過程。

后續(xù)需要結(jié)合液霧自燃的基礎(chǔ)理論研究，對其中包含的多個物理和化學(xué)過程進(jìn)行分析、建模，在實(shí)驗(yàn)方面實(shí)現(xiàn)液霧噴射、混合與自燃過程的多場協(xié)同測試，借助高保真數(shù)值模擬，深入分析液霧自燃發(fā)生的隨機(jī)性和影響點(diǎn)火延遲時間的因素及途徑。

致謝:感謝國家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃“面向發(fā)動機(jī)的湍流燃燒基礎(chǔ)研究”項(xiàng)目(91641109)資助。