劉正藝，陳溯敏，周孫宇

(中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，成都 610500)

1 引言

確保航空發(fā)動機在極端環(huán)境(高寒點火)和特殊情況(高空點火)下點火起動成功，即具有較寬廣的穩(wěn)定燃燒工作范圍，是實現(xiàn)發(fā)動機運行高可靠性和高安全性的關鍵。發(fā)動機燃燒室的點火過程極為復雜，涉及到小尺度的火焰與湍流的耦合，且影響點火過程及周向點火時間的因素錯綜復雜。目前，火焰的詳細發(fā)展過程仍處于觀測探索階段，即其物理過程尚未被完全掌握和認識，理論建設、經(jīng)驗模型、數(shù)值計算和試驗技術均存在一定挑戰(zhàn)[1]。

隨著發(fā)動機推重比的不斷提升，發(fā)動機對燃燒室溫升、穩(wěn)定工作范圍以及出口溫度分布的要求越來越苛刻。為適應燃燒室熱容增加，主燃區(qū)氣流量相應增大，穩(wěn)定火焰難度提升。此外，隨著航空污染物排放標準的提高，分級燃燒室應運而生，但該類燃燒室的頭部進氣量較高，易導致其在低工況下火焰難穩(wěn)定且點/熄火性能難保證。為此，需進一步深入開展航空發(fā)動機燃燒室穩(wěn)定性設計，而點火相關研究能對其起支撐和指導作用。

本文通過對國內(nèi)外多篇航空發(fā)動機燃燒室點火研究領域公開文獻進行分類統(tǒng)計，介紹了目前點火研究的基本概況，并對點火研究的重點內(nèi)容——點火特性預測方法、數(shù)值模擬方法、試驗研究等進行了簡述，對點火性能影響因素、點火性能改善方案進行了總結(jié)，以期為后期燃燒室點火設計提供參考。

2 燃燒室點火研究基本概況

通過收集、整理、分析多篇國內(nèi)外大學、研究中心、企業(yè)以及行業(yè)設計所等有關燃燒室點火研究的文獻[1-36]，發(fā)現(xiàn)有以下幾個特點：

(1) 借助先進的測量儀器，逐步加深對點火過程的認識，深入觀察了火核發(fā)展、火焰?zhèn)鞑?、火焰穩(wěn)定及聯(lián)焰過程；在推導半經(jīng)驗關系式時，考慮的影響因素越發(fā)全面。同時，更加關注經(jīng)驗關系式的普適性與準確性，以求超出理論研究，成功應用于工程設計；不斷優(yōu)化改進數(shù)值模擬技術、點火模型，以提高產(chǎn)品設計效率，降低設計成本。

(2) 國外研究早于國內(nèi)研究，且所涉領域極為全面，推導的經(jīng)驗與半經(jīng)驗關系式至今仍對設計工作起著指導與參考作用；對數(shù)值模擬的研究較為深入，從反應模型到自編程軟件一步步細化，同時多次調(diào)試計算模型，并與試驗數(shù)據(jù)進行了定性驗證對比。國內(nèi)自2007年才開始點火研究，起步較晚。目前，國內(nèi)外研究的內(nèi)容均相似，主要關注點火半經(jīng)驗公式提出、關鍵參數(shù)預測、全環(huán)點火過程觀測等，并在研究中輔以高速攝像、粒子圖像測速系統(tǒng)(PIV)、相位多普勒粒子分析儀(PDPA)等測試手段。

(3) 目前仍多是通過試驗手段完成觀測分析、驗證校核、霧化初始參數(shù)提供；數(shù)值模擬(定性、定量)方面，包括初始輸入?yún)?shù)、湍流模型、燃燒模型、點火模型、化學反應模型和兩相流模型，仍有較大的發(fā)展空間。

(4) 早期點火研究關注的是“點”，而現(xiàn)在關注的是“面”，主要偏向于聯(lián)焰、火核分裂、火焰結(jié)構(gòu)等方面的研究，且多為結(jié)構(gòu)或位置參數(shù)的規(guī)律性探討，而此部分對燃燒室影響較大，對推動燃燒室設計科學發(fā)展具有積極作用。

3 點火研究內(nèi)容

航空發(fā)動機起動過程中燃燒室能否穩(wěn)定、快速地點著火，直接決定著發(fā)動機能否成功起動。燃燒室點火過程為典型的強迫點火過程，肖為等[1]對電火花點火的火核衍化過程進行了詳細描述，給出了點火成功瞬態(tài)圖像(圖1)。Mastorakos[2]、楊金虎等[3]將環(huán)形燃燒室點火過程劃分為4 個階段：①火核生成階段；②火焰?zhèn)鞑ルA段；③火焰穩(wěn)定階段；④全環(huán)聯(lián)焰階段。本文將從點火特性預測方法、數(shù)值模擬以及試驗研究3個方面進行概述。

圖1 點火成功瞬態(tài)圖像[1]Fig.1 Successful ignition sequence

3.1 點火特性預測方法

燃燒室點火特性預測方法可分為兩類。一是基于特征時間的點火特征經(jīng)驗預測(特征時間分析+試驗標定)[4-5]。該方法主要關注初始火核形成和點火延遲現(xiàn)象，對后續(xù)聯(lián)焰過程無考慮，且由于經(jīng)驗常數(shù)的確定與燃燒室結(jié)構(gòu)形狀相關，其普適性有待考量。此外，點火延遲現(xiàn)象極難通過CFD模擬觀察或復刻。二是基于數(shù)值模擬和火核追蹤的點火概率預測(數(shù)值模擬+理論分析)[6]。該方法可利用冷態(tài)流場結(jié)構(gòu)，對點火概率空間分布、點火時間尺度以及點火的4個階段進行分析，但對計算網(wǎng)格的依賴較強(網(wǎng)格尺寸需適當)，無法準確計算火焰體積和火焰膨脹過程，對旋流霧化噴嘴的預測精度仍待檢驗。

3.2 數(shù)值模擬

目前，航空發(fā)動機點火過程數(shù)值模擬主要基于大渦模擬(LES)展開，也有將雷諾應力模型(RANS)耦合到LES中嘗試提高計算效率。大渦模擬在火花點火后的火焰?zhèn)鞑ビ嬎阒休^為精確，能準確捕獲點燃和回火工況下的火焰運動，對結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格都適用。

Boileau等[7]運用非定常大渦模擬對直升機發(fā)動機18 個頭部的環(huán)形燃燒室的點火過程進行了模擬。Jones等[8]采用歐拉隨機軌道濾波概率密度函數(shù)的大渦模擬方法對單頭部燃燒室點火進行了模擬，結(jié)果表明火花尺寸是影響燃燒室內(nèi)煤油點火性能的關鍵參數(shù)，且此結(jié)果與相似幾何結(jié)構(gòu)下的高速成像試驗結(jié)果定性一致。呂浩杰[9]采用LES 捕捉實時流場的脈動、火焰?zhèn)鞑ゼ毠?jié)和非穩(wěn)態(tài)點火過程，采用了能反映點火過程湍流-化學反應相互作用的EDC燃燒模型，電火花點火模擬選擇Fluent 自帶的電火花模型，火花設置為球形、尺寸固定且不隨時間變化。Steil等[10]對航空煤油及其替代燃料的點火延遲時間進行了研究，指出DAG化學反應模型比BBS化學反應模型的預測結(jié)果更接近試驗結(jié)果，且反應溫度對點火延遲時間影響顯著。Antoshkiv等[11]點明點火性能與噴霧形狀及其霧錐的隨機性密切相關，氣流速度場、噴霧質(zhì)量流量和霧化質(zhì)量是影響霧化過程的關鍵因素。Rao等[12]指出，在最小點火能-常溫常壓點火時，可暫不考慮最小點火能對火核生成過程的影響，混合物處于可燃極限范圍內(nèi)時電火花的能量便足以將其點燃；但對于高空點火，最小點火能的影響較大，建立點火預測模型時需考慮其影響。馬佳敏等[13]采用壓力進出口邊界條件、VOF兩相流模型、Realizablek-ε湍流模型對旋流霧化噴嘴的霧化特性進行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的誤差為0.45%，但此方法的燃油霧化流量預測值與試驗數(shù)據(jù)偏差較大(約為8.49%)。

數(shù)值模擬時采用不同的模型得到的結(jié)論有差異。研究發(fā)現(xiàn)，相較于輸運PDF模型和條件矩模型，火焰面模型和動態(tài)增厚火焰模型在實際燃燒室點火計算中具有明顯優(yōu)勢。其原因是這兩種模型的計算量較小，計算精度滿足工程需要。此外，動態(tài)增厚火焰模型能捕捉點火過程中火焰的動態(tài)擴散，可通過增厚火焰前鋒厚度達到大渦求解尺度并保持火焰?zhèn)鞑ニ俣炔蛔儊硖岣唿c火大渦模擬的計算準確度。

綜合考慮計算精度以及運算速度，相較于直接數(shù)值模擬和雷諾應力模型數(shù)值模擬，大渦模擬具有一定優(yōu)勢，且模型朝著更符合實際的煤油蒸發(fā)和化學反應模型、燃燒室內(nèi)部流動(包括旋流結(jié)構(gòu)、氣膜冷卻等)、出流條件影響等方向改進。

3.3 試驗研究

運用試驗的手段對燃燒室點火進行研究，一是通過對試驗數(shù)據(jù)的分析、擬合，得到或修正各種預測模型中的各類經(jīng)驗常數(shù)；二是運用高速攝影技術等現(xiàn)代化記錄手段描述燃燒室點火過程的細節(jié)，特別是火焰?zhèn)鞑サ穆窂?；三是通過試驗的手段研究不同因素對燃燒室點火性能的影響。

趙明龍等[14]開展了單頭部、扇形、全環(huán)點火試驗和油霧粒徑測量試驗(采用相位多普勒粒子分析儀)，得到了Lefebvre 燃燒室點火經(jīng)驗公式。林宇震等[15]僅使用副油路(單油路離心噴嘴)點火，在常溫常壓下開展了單頭部矩形燃燒室的點火性能試驗，并根據(jù)試驗所得數(shù)據(jù)對Jasuja關系式的系數(shù)進行了修正，得到了無霧化空氣時的燃油索太爾平均直徑(SMD)預測方程。王延勝等[16]開展了單環(huán)腔中心分級燃燒室的常溫常壓和常溫低壓點火試驗，預估了燃燒室貧油點火邊界的燃油SMD，并指出影響燃燒室性能的主要參數(shù)是空氣總壓、空氣壓降、空氣流量和燃油SMD。黃兵等[17]對中心分級燃燒室變頻變能點火性能進行了試驗研究，得出點火能量較點火頻率對點火性能的影響更為顯著，燃燒室進口空氣流量和主燃區(qū)容積主要影響燃燒室參考速度，并結(jié)合Lefebvre和王延勝點火模型[16]，擬合得到離心噴嘴經(jīng)驗關系式。

隨著高速攝影等技術的發(fā)展，燃燒室點火試驗觀測手段逐漸豐富。Read 等[18]利用高速攝像技術、平面激光誘導熒光(PLIF)技術，描述了貧油直噴燃燒室高空再點火時火焰的形成和穩(wěn)定過程，并提出了一種可實現(xiàn)火核追蹤的圖像處理技術。Marchione等[19]借助PDPA、高速攝影技術，分析了液滴速度場、液滴粒徑和總當量比(包括燃油液滴和燃油蒸氣)對燃燒室點火性能的影響，指出點火成功率與向霧化噴嘴傳播的火焰單元有關。Denton[20]對富油燃燒-猝熄-貧油燃燒燃燒室進行了高空點火試驗，借助高速攝像討論了壓降、環(huán)境壓力和環(huán)境溫度對點火性能的影響，發(fā)現(xiàn)火核尺寸對點火性能影響較小，而火核的發(fā)展與氣流平均速度場密切相關。Dong等[21]通過試驗方法觀測了點火火核的時-空演變。

為研究不同因素對燃燒室點火性能的影響，通常采取試驗的手段進行探索。付鎮(zhèn)柏等[22]采用RP-3航空煤油，在高空負壓工況下對不同臺階高度單頭部矩形試驗件的點火性能進行了研究。代威等[23]測量了裝配不同旋流器的單頭部扇形燃燒室的點熄火性能。薛鑫等[24]分析了火焰筒壓力損失為2.0%、2.5%、3.0%時對雙旋流軸向旋流器的矩形三頭部燃燒室點火邊界的影響。林震宇等[25-27]研究了旋流器氣量分配、結(jié)構(gòu)變化、旋流數(shù)等對燃燒室點火性能的影響。

通過眾多燃燒室點火試驗研究，得出了一些規(guī)律性的結(jié)論。如火花位置影響火核的早期發(fā)展，當火花位于回流區(qū)下游時，由于此處的燃油混合分數(shù)適宜且氣流湍流強度較低，火核不會立即熄滅；但此處的平均軸向速度較高，而火核需逆流向上游傳遞，點火難度較高等。盡管目前已開展了大量的點火試驗研究，但其也存在以下局限性，一是試驗得出的經(jīng)驗常數(shù)通用性較差，對模型結(jié)構(gòu)及工況范圍的限制較為嚴格；二是試驗時測量手段有限，只是從宏觀角度觀察和利用試驗數(shù)據(jù)分析點火特性，未能深入機理進行分析；三是試驗件加工水平參差不齊，試驗成本較高。

4 點火性能影響因素及改善方案

根據(jù)上述眾多研究結(jié)果，總結(jié)了影響燃燒室點火性能的幾個主要因素：①點火器位置；②電火花能量；③點火頻率；④點火器附近燃油的濃度、粒徑和局部流場拉伸、熱擴散；⑤火焰?zhèn)鞑ヂ窂郊盎鹧娓繀^(qū)域的燃油濃度、粒徑和局部流場拉伸、熱擴散；⑥火焰需滿足向上游傳遞的流動條件；⑦燃燒室進口溫度；⑧燃燒室進口壓力；⑨主燃區(qū)流場結(jié)構(gòu)(主回流區(qū)尺寸)等。在開展燃燒室相關設計時需重點關注這些因素。

根據(jù)影響燃燒室點火性能的主要影響因素，歸納出以下幾個燃燒室點火性能改善方案：①增加進氣量——有助于改善燃油霧化質(zhì)量，從而提升點火性能；②提高進口壓力——進口溫度和流速一定時可降低點火油氣比，提升點火性能；③提高燃油溫度——有助于提升燃燒室點火性能；④提高噴嘴霧化性能——是提升點火性能的有效途徑。

5 結(jié)束語

綜合分析了多篇國內(nèi)外點火研究文獻，對現(xiàn)有燃燒室點火研究成果進行了概述，總結(jié)了影響點火性能的主要因素，提出了改善點火性能的多個思路，后續(xù)點火研究可朝著以下幾個方面進行深入探討：

(1) 在現(xiàn)有計算能力上，可將RANS 的模擬結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)相結(jié)合，開發(fā)一種基于試驗數(shù)據(jù)的RANS模擬方法。

(2) 隨著計算能力的提高，在大渦數(shù)值模擬方法基礎上，進一步補充機理性研究試驗(包括流場試驗、油霧場試驗、點火延遲試驗等)，細化計算模型與計算方法，提高計算準確性。

(3) 歸納總結(jié)已有的各種參數(shù)及模型對點火性能的影響，開發(fā)可預測發(fā)動機全包線點火邊界的工程設計方法。