船用柴油机维修-非稳态超声速燃烧电激励调控技术研究进展（J）发动机距离地面

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孙明波、朱家健、罗天罡、李沁源、田一夫、万明刚、孙永超。 非定常超音速燃烧电励磁控制技术研究进展[J]. 航空学报，2023，44(15)：（本文为国防科技大学建校70周年特刊特稿）。

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一、研究背景

着火、燃烧振荡、火焰回火、火焰喷熄等非定常超音速燃烧现象是影响超燃冲压发动机高效燃烧组织的关键因素。 电激发是指将电能注入气体电离或电离后，产生定向流动、加热和化学反应。 与传统的机械控制技术相比，电励磁可以实现对非稳态超音速燃烧现象的即时主动控制。

电激发可以在作用空间产生等离子体。 等离子体增强点火和助燃的作用主要有热效应、动力效应和传输效应。 目前用于超音速燃烧的等离子体有两种类型：热平衡等离子体，具有较强的热效应，可用于超音速燃烧中的点火和助燃研究； 非热平衡等离子体，具有显着的化学效应，主要用于超音速燃烧的燃烧支持研究。

本文对电激励控制非稳态超音速燃烧的组织技术和机理进行了梳理，综述了电激励控制非稳态超音速燃烧的相关研究成果，并展望了未来的发展趋势。

2. 研究亮点

1)提出了多路径滑弧等离子体增强超燃冲压发动机燃烧室点火。

分析总结了不同电励磁方式增强超燃冲压发动机燃烧室点火的效果、机理及优缺点。 超燃冲压发动机点火过程中，等离子体沉积能量和初始火芯体积是决定点火成败的关键因素。 滑弧等离子体具有功率密度高、作用范围广、能够在常压下产生高化学选择性的非平衡等离子体等优点。 它可以在超燃冲压发动机的增强点火方面发挥重要作用。

我们团队提出的超燃冲压发动机燃烧室多通道滑动电弧等离子体放电装置如图1（a）所示。 在滑弧等离子体增强点火过程中，初始火芯通常在滑弧等离子体放电的功率峰值处产生。 ，主要是因为此时滑弧等离子体放电的瞬时功率较高，更容易达到超燃冲压发动机的最小点火能量。 如图1(b)所示，与单路滑动弧等离子体相比，多路滑动弧等离子体放电可以产生多个初始火核，这些初始火核在传播过程中相互融合形成更大面积的初始火焰过程等离子体发动机，这有助于缩短从火芯产生到全局火焰建立的时间。 多路径滑动电弧等离子体可将火焰传播时间缩短 48%，点火时间缩短 61%。 另外，如图1(c、d、e)所示，借助多路滑弧等离子体放电装置，向下流动的碳氢燃料(乙烯、煤油)(燃烧室入口马赫数2.0~2.92)在很宽的速度范围内实现。 加强点火。

(a) 多通道滑弧等离子体点火器放电物理图

(b) 不同当量比下单通道和多通道滑弧等离子体点火时间对比

(c) Ma=2.0多路滑弧等离子体增强乙烯点火

(d) Ma=2.92滑弧等离子体增强乙烯点火过程

(e)Ma=2。 92 滑弧等离子增强冷煤油点火工艺

图1 滑弧等离子体增强超燃冲压发动机燃烧室点火

2）实现滑弧等离子体控制超音速燃烧方式，抑制燃烧振荡和火焰回火。

电励磁技术可以控制一定条件下的超音速燃烧方式，表现出良好的应用前景。 我们团队提出的多通道滑动电弧等离子体控制超音速燃烧模式的实验结果如图2（a）所示。 滑弧等离子体开启后，火焰放热区域可调整至电激发区域，实现超音速燃烧模式。 国家的精确控制。 此外，借助滑弧等离子体抑制超音速燃烧振荡和回火。 如图2(b)所示，开启多通道滑动电弧等离子体后，燃烧模式趋于维持凹腔稳焰模式。 状态下，腔内火焰稳定模式的稳定时间显着增加； 当燃烧模式在腔室火焰稳定模式和喷流尾流模式之间振荡时，施加多路滑弧等离子体后，发动机趋于维持在喷流尾流模式。

等离子体抑制燃烧振荡主要是因为多路滑弧等离子体产生N2*和O，使局部温度升高，形成高温区。 高温区域的扩散导致腔内整体温度升高，燃烧背压增大。 燃烧背压的升高导致冲击波前行，加剧主流的堵塞。 燃油喷射的穿透深度更高，使燃油和空气更好地混合，燃烧更剧烈，从而抑制燃烧振荡。

(a) 滑弧等离子体调节超音速燃烧模式

(b) 滑弧等离子体抑制燃烧振荡和火焰回火

图2 滑弧等离子体调控超音速燃烧模式船舶柴油机配件，抑制燃烧振荡和火焰回火

3）发现滑弧等离子体可用于增强超音速燃烧并拓宽火焰稳定极限

目前，对于不同工况下腔体火焰稳定极限的研究已经非常详细，但对于熄火动力学以及如何拓宽火焰稳定极限的研究还处于起步阶段。 研究表明，滑弧等离子体火花放电的热效应和动力效应是实现火焰稳定极限扩大的关键因素。 该团队提出的多路径滑动电弧等离子体可用于增强超音速燃烧并拓宽火焰稳定极限。 如图3所示，施加等离子体时燃烧室壁静压显着增加，验证了滑弧等离子体对超音速火焰的助燃效果。 此外，滑弧等离子体可以强化燃烧，并在一定范围内拓宽稀/浓熄火极限。 如图 4 所示，在此工况下，应用滑动电弧等离子体可以将富焰吹灭极限从 7.5 g 提高。 /s 增加至 9.7 g/s，扩大了 29%。

图3 滑动电弧辅助火焰稳定和助燃

图4 滑弧等离子体拓宽了富焰熄火极限

三、总结与展望

电励磁对超音速非稳态燃烧具有强化点火、调节燃烧方式、抑制火焰振荡、拓宽火焰喷出极限等作用。 选择合适的电励磁方式对于实现超音速非稳态燃烧的控制至关重要。 发展等离子体组合控制、自适应智能控制和宽调速范围高效控制技术对于推动高超声速飞行器的发展具有重要意义和价值。

4. 团队介绍

国防科技大学发动机燃烧研究团队长期致力于发动机燃烧、流动及传热过程的研究。 主要研究方向包括燃烧流动建模、数值计算方法、先进激光诊断、高性能燃烧组织等。团队现有教师10余人，硕士、博士研究生30余人等离子体发动机，承担国家级和省级课题20余项。其他的项目。

孙明波（团队负责人）现任国防科技大学航空航天科学学院教授、博士生导师、副院长。 长期从事高超声速推进领域的教学和科研工作船舶自动化设备维修，曾获国家科技进步一等奖（排名第8）、湖南省自然科学奖一等奖（排名第8）发表期刊文章200余篇，专着7部，授权专利50余项。 曾获中国科协求是杰出青年奖、中国青年科学技术奖特等奖、全国杰出青年奖、全国百篇优秀博士论文奖。 兼任某科学技术委员会学科组专家、工程热物理燃烧专委会委员、力学会青年委员。 工作委员会委员，《航空航天学报》、《中国JA》青年编委。

供稿：罗天罡

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