基于三维旋转滑动弧助燃的航空发动机宽范围燃烧机理研究

In order to meet the urgent demands for advanced aero-engine combustion, high combustion efficiency, wide stable combustion range, good exit temperature distribution and low pollutant emission should be considered. This project aims to research the swirling combustion mechanism of aero-engine based on three-dimensional rotating gliding arc plasma-assisted combustion, and it can provide technical support for the development of high performance aero-engine combustor. This program will reveal the mechanisms of the action of three-dimensional rotating gliding arc discharge on fuel decomposition and plasma-assisted combustion. The formation method of producing three-dimensional rotating gliding arc with high efficiency and the regularity of optimizing the performance of plasma-assisted combustion actuator will be studied too. The multi-physics coupling simulation model of the swirling combustion mechanism of aero-engine based on three-dimensional rotating gliding arc plasma-assisted combustion will be established, relying on the theory of combustion, fluid dynamics and plasma dynamics. At present, few researchers focus on the technology of three-dimensional rotating gliding arc plasma-assisted combustion applied on the aero-engine. It is expected to achieve a very wide range of combustion on the aero-engine once the technology is researched maturely, and the results of this project will provide a new idea for the design of aero-engine combustor.

为满足先进航空发动机燃烧室对高燃烧效率、宽稳定燃烧范围、良好出口温度场分布以及低污染物的排放的迫切需求，本项目提出研究基于三维旋转滑动弧助燃的航空发动机宽范围燃烧机理，为高性能航空发动机燃烧室的研制提供技术支撑。揭示三维旋转滑动弧放电对燃油裂解的作用机理和三维旋转滑动弧等离子体助燃的作用机理；探索产生高效能三维旋转滑动弧的实现方法和优化等离子体助燃激励器性能的规律；基于燃烧学、流体力学和等离子体动力学的基本理论，发展三维旋转滑动弧等离子体助燃的航空发动机旋流燃烧的多物理场耦合仿真模型，分析影响因素及其规律。目前，关于航空发动机燃烧室三维旋转滑动弧助燃技术的研究还是空白，该技术成熟后，有望实现航空发动机的极宽范围燃烧。本项目的研究成果将为航空发动机燃烧室设计提供一种新思路。

本项目创新性地发明了一种基于三维旋转滑动弧的航空发动机燃烧室头部结构，该发明属于航空发动机领域“0-1”的原始创新。目前，航空发动机面临着稳定燃烧边界需要拓宽的重大现实需求，本项目以滑动弧等离子体燃烧室头部为核心研究对象，将滑动弧等离子体与航空发动机燃烧室结合起来，研究结果表明基于三维旋转滑动弧的航空发动机燃烧室头部在提高燃烧效率，拓宽点、熄火边界，改善燃烧室出口温度场品质方面有巨大优势。本项目的主要研究工作包括：①设计发明了滑动弧等离子体燃烧室头部，通过仿真研究得到了气动、结构参数等对燃烧室头部流场的影响，为滑动弧等离子体燃烧室头部的优化提供了依据，通过实验研究得到滑动弧放电过程中的电参数特性，分析了滑动弧放电过程中活性粒子的演化路径，得到滑动弧运动过程中存在4种不同的运动模式；②针对滑动弧对助燃的物理化学影响，搭建了滑动弧等离子体雾化、裂解实验平台，研究表明滑动弧等离子体明显改善了燃油雾化效果，并且随着放电电压的升高燃油雾化效果增强，相比未施加滑动弧等离子体的工况，燃油平均粒径最高下降可达到3.8496μm，燃油雾化锥角最大可增大32°，煤油在滑动弧的裂解作用下，生成C2H2和H2两种气态产物，且随着电源输入功率的增加，气态产物的含量随之增加，建立了化学反应动力学模型，通过仿真研究表明在甲烷和空气混合气中放电会产生大量的活性粒子，在放电过程中，电子的产生最早，产生CH3的最大反应为E+CH4→E+CH3+H，N2（ap）+CH4→N2+CH3+H是消耗CH4生成CH3的主要反应，它促进了放电过程中反应的进行；③研究了滑动弧对提高燃烧效率和扩宽点熄火边界的影响，基于型号发动机燃烧室搭建了滑动弧助燃实验平台，研究表明随着滑动弧输入功率的增加，点火、熄火边界拓宽效果越明显，与160W工况相比，输入功率为320W时点火边界平均拓宽约17.6%，熄火边界平均拓宽约45.3%，在某型航空发动机燃烧室中的研究表明，在点火状态，相比于未施加滑动弧等离子体的工况下燃烧效率由79.99%提高至89.27%。