航空发动机加力燃烧室等离子体点火机理研究

Focusing on the characteristics of aero engine afterburner with high flow speed, low pressure, low-oxygen combustible mixed gas and the difficulty in ignition and poor ignition reliability, this project investigates the essential characteristics of plasma ignition in aero engine afterburner covered by gas discharge, plasma dynamics, fluid mechanics, combustion and so on. Based on high temperature, big energy, strong chemical activity features of plasma jet, this project will research on the plasma/turbulent/chemistry interaction and its impact on the ignition and flame propagation process. The working characteristics and optimization methods of plasma igniter in afterburner, numerical simulation of plasma ignition, key influence parameters and change rules of plasma ignition performance of kerosene/air mixtures, mechanism analysis and control methods of plasma jet ignition will be investigated. Through experiments, numerical simulations and theoretical analysis, the plasma ignition implementation method in aero engine afterburner will be put forward, and characteristics of plasma igniter under typical working environment will be obtained to illustrate interaction process of plasma/turbulent/chemistry , reveal the mechanism of plasma ignition in afterburner. The results could provide theoretical and technical support to the application of plasma ignition in aero engine afterburner.

针对航空发动机加力燃烧室内气流速度高、压力低、可燃混合气含氧量少，存在点火困难及点火可靠性差的技术难题，从等离子体点火过程所涉及的气体放电、等离子体动力学、流体力学、燃烧学等本质特性出发，充分挖掘等离子体点火能量大、温度高、化学活性强等技术优势与特点，聚焦等离子体与湍流、燃烧相互作用对点火和火焰传播的影响机制，开展加力燃烧室典型工作环境下等离子体点火器工作特性与优化、加力燃烧室等离子体点火过程数值计算、加力燃烧室等离子体点火特性与影响因素及规律、等离子体点火机理与控制方法等研究。通过实验、仿真与理论分析，提出加力燃烧室等离子体点火的实施方法，获得典型工作条件下等离子体点火器的工作特性、点火特性以及参数影响规律，阐明等离子体与湍流、燃烧相互作用机制，揭示加力燃烧室等离子体点火作用机理，为等离子体点火技术在加力燃烧室中的应用提供理论和技术支撑。

随着航空动力技术的发展，航空发动机加力燃烧室进口气流速度增大、旋流度增强，同时进口气流压力低、含氧量低，特别是在高空、低速等情况下，燃油雾化、掺混质量变差，点火时初始火核形成及火焰传播更为困难，对加力燃烧室点火和稳定燃烧提出了更高的要求，因此探索新型加力燃烧室点火与稳燃技术有着及其重要的现实意义。等离子体点火技术具有能量大、温度高、化学活性强等特点，能够显著扩大点火边界，缩短点火延迟时间，提高可燃混合气的点火可靠性，改善航空发动机的空中再起动性能。通过本项目研究，（1）研制了一种阳极自冷却式等离子体射流点火器，利用三级冷却孔和二股冷却通道对等离子体点火器进行冷却，减轻了高温电弧对点火器的烧蚀。（2）进行了等离子体射流点火器工作特性实验研究，获得了点火器驱动电流和工作介质气体流量对等离子体点火器工作特性的影响，利用亚历山大效应测量得到的等离子体射流温度最高达8610 K。（3）建立了加力燃烧室等离子体点火数值计算模型，对模型加力燃烧室进行了稳态点火燃烧和瞬态点火燃烧数值模拟研究。等离子体点火器产生的高温等离子体射流与回流区流场相互作用，将能量沿涡结构传播至回流区内，加速了可燃混合气的燃烧过程。（4）进行了模型加力燃烧室等离子体射流点火特性实验研究，分析了煤油/空气混合气等离子体射流点火过程，获得了等离子体点火性能的关键影响因素及参数变化规律；（5）在支板/凹腔组合结构一体化加力燃烧室中进行了等离子体点火机理及控制方法研究。项目工作初步揭示了加力燃烧室等离子体点火作用机理，发展了加力燃烧室等离子体点火方法，为等离子体点火技术在加力燃烧室中的应用提供了理论和技术支撑。