预燃式等离子体射流点火的机理研究

At present, a variety of aero-engines are facing great demand that the high altitude ignition envelope needs to be expanded. In order to provide a technical support to expand the high altitude ignition envelope of aero-engines, this project proposes a novel ignition technology “pre-combustion plasma jet ignition technology”. Based on the methods of theoretical analysis, numerical simulation and experiment, this project will carry out the mechanisms research on the pre-combustion plasma jet ignition technology. This program will reveal the formation mechanisms of high temperature plasma ignition jet which produce by air and fuel mixture. The mechanisms of pre-combustion plasma jet ignition to ignite the combustible mixture by turbulence entrainment will be studied too. The implementation methods of pre-combustion plasma jet with low power consumption and high rigidity will be explored. Based on the theory of combustion, fluid dynamics and plasma dynamics, the multi-physics coupling simulation model of the pre-combustion plasma jet ignition will be established. The influence factors and laws to the pre-combustion plasma jet ignition will be analyzed by the model. At present, few researchers focus on the pre-combustion plasma jet ignition. The results of this project will establish a technical foundation for the application of the pre-combustion plasma jet ignition technology.

目前，各种航空发动机均面临高空点火包线需要拓宽的重大需求。本项目提出研究一种新型的预燃式等离子体射流点火技术，为拓宽航空发动机的高空点火包线提供技术支撑。本项目使用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，开展预燃式等离子体射流点火的机理研究工作。揭示空气与燃料混合产生高温等离子体点火射流的形成机理和预燃式等离子体射流点火的湍流卷吸可燃混合气的点燃机理；探索低能耗和高刚度预燃式等离子体点火射流的实现方法；基于燃烧学、流体力学和等离子体动力学的基本理论，发展基于预燃式等离子体射流点火的多物理场耦合仿真模型，分析影响因素及其规律。目前，关于预燃式等离子体射流点火的研究还是空白，本项目的研究成果将为预燃式等离子体射流点火技术的应用奠定技术基础。

目前，航空发动机面临高空点火包线需要拓宽的需求。本项目提出研究一种新型的预燃式等离子体射流点火技术，为拓宽航空发动机的高空点火包线提供技术支撑。研究结果表明预燃式等离子体射流点火器在点火过程中具有更长的射流长度和射流刚度，射流火焰能够穿过燃烧室回流区，大大增加了点火的火焰面积，在缩短点火延迟时间和拓宽燃烧室点火边界方面具有明显优势。.本项目的主要研究工作包括：.（1）设计并加工了预燃式等离子体射流点火器，对预燃式等离子体射流点火器包括电特性、光谱特性、射流特性、温度场特性在内的工作特性进行了实验研究，实验发现燃料预燃燃烧产生了大量小分子粒子，既有利于燃烧室点火，也利于放电形成通路，能提高放电稳定性，使得电源驱动功率下降。预燃式等离子体的射流长度和刚度比空气等离子体射流大大增加，甲烷燃烧能增加点火器射流长度达45%。增加介质流量、增加燃料流量、增大驱动电流均能有效提高射流刚度。首次利用OH-PLIF技术测量了预燃式等离子体点火的二维温度场，输入电流为35A时等离子体射流平均温度最高达到7989K，比输入电流为15A时提高了56%。.（2）对预燃式等离子体射流点火器点火过程、点火延迟时间、点火边界进行了实验探究，并与其他形式的点火器进行了对比，实验发现预燃式等离子体射流点火器具有更长的射流长度，大幅缩短了点火延迟时间。在某状态下，煤油预燃式等离子体射流点火器的点火延迟时间与电火花点火器点火相比缩短了56.1%。煤油预燃式、甲烷预燃式、空气射流、自引气式4种等离子体点火器同电火花点火器的点火范围相比，分别增大了480.01%、352.18%、243.87%、117.53%。.（3）构建了甲烷/空气和煤油/空气燃烧反应机理，利用Chemkin建立简化的零维等离子体模型，对甲烷/空气电离、甲烷/空气燃烧以及等离子体激励燃烧进行了计算，结果表明，等离子体的加入有效缩短点火延迟时间。在三维旋流燃烧室模型中的仿真结果表明，火焰优先向射流后方的区域进行传播，进而再逐渐引燃整个燃烧室试验段，这与实验过程中预燃式点火的过程类似，实验与仿真结果得到了很好的相互印证。