燃烧室等离子体强化燃烧机理研究

Plasma-assisted ignition and combustion, which is advanced in its short ignition delay time, stable combustion, high combustion efficiency, low emission of noxious gases，is a new development direction of high-performance engine combustion. Exploring the mechanism of coupling effects between plasma actuation and combustion kinetics (chemical reaction mechanism, heat and mass transfer, fluid mechanics) is a key scientific issue. Based on the applicant and his team’s long-term study on plasma-assisted ignition and combustion, we put forward the academic thought of multi-field coupling between highly efficient plasma actuation and combustion kinetics in engines, and apply for the investigation on the mechanism of plasma-assisted ignition and combustion. The research mainly includes the characteristics and optimization of highly efficient plasma igniter and plasma-assisted combustion actuator, multi-field coupling modeling and numerical calculation on plasma actuation and combustion mechanism, variation rules and key influencing factors as well as mechanism validation of plasma-assisted ignition and combustion. Directed by experiments and supported by numerical simulation and theoretical analysis, the highly efficient plasma actuation method will be put forward, and the coupling effects between plasma actuation and combustion mechanism will be revealed. The original innovation of mechanism and method of engine plasma-assisted ignition and combustion will be achieved, thus providing creative theories and technical supplementary for the development of high performance combustion technology.

等离子体强化燃烧具有点火延迟时间短、燃烧稳定、燃烧效率高、有害气体排放少等突出技术优势，是先进高性能发动机燃烧技术发展的新方向。深刻揭示等离子体激励与燃烧动力学（流动、传热传质、化学反应等）多场耦合作用机制，是其中内含的重要科学问题。申请者在长期开展等离子体点火与助燃技术研究的基础上，提出高效能等离子体激励与燃烧动力学多场耦合的学术思想，申请开展发动机燃烧室等离子体强化燃烧的机理研究，主要研究内容包括：高效能等离子体点火和助燃激励特性与优化、等离子体强化燃烧多场耦合建模与数值计算、强化燃烧的关键影响因素及其变化规律、等离子体强化燃烧机理验证等。以发动机燃烧室等离子体强化燃烧的共性问题为研究对象，通过实验、仿真和理论分析，提出高效能等离子体强化燃烧激励方法，揭示等离子体激励与燃烧动力学多场耦合作用机制，实现等离子体强化燃烧机理和方法的原始创新，为先进高效能燃烧技术发展提供创新理论和方法支持。

以我国航空燃气涡轮发动机存在高原、低温和高空小表速情况下点火边界和燃烧稳定边界不足的问题为背景，开展了高效能等离子体点火和助燃激励特性与优化、等离子体强化燃烧多场耦合建模与数值计算、强化燃烧的关键影响因素及其变化规律、等离子体强化燃烧机理验证等工作。实现等离子体强化燃烧机理和方法的原始创新，为先进高效能燃烧技术发展提供创新理论和方法支持。.本项目研制了适用于航空发动机燃烧室的高效能等离子体点火器和助燃激励器，并开展了相关工作特性的研究，获得了多种参数对其工作特性的影响规律，并在此基础上，提出了提高等离子体助燃激励器的参数优化方法。进行了多参数对等离子体射流点火器点火过程、点火延迟时间的影响及其规律研究，比较了不同工况下的点火特性。获得了燃烧室等离子体强化燃烧效果的参数变化规律与控制方法以及关键影响因素及其变化规律。开展了不同类型的等离子体点火器在圆形和钝体稳焰燃烧室中的点火特性实验研究，以及等离子体助燃激励器助燃的实验研究，揭示了等离子体点火与助燃强化燃烧的机理。设计了在航空发动机燃烧室实施等离子体点火与助燃方案，在燃烧室上进行了等离子体射流点火特性实验，在某型航空发动机环形燃烧室上进行了不同等离子体助燃方式的助燃特性对比实验，验证了等离子体激励与燃烧作用机制及参数影响规律，建立了燃烧室等离子体强化燃烧的控制方法。建立了电弧放电等离子体动力学数学模型以及多物理场耦合模型，对等离子体点火器和助燃激励器内部的放电过程、时空演化进行了数值模拟，定量揭示了等离子体激励与燃烧动力学多场耦合作用机制。进行了等离子体射流点火特性计算与分析以及某型航空发动机环形燃烧室等离子体助燃的数值研究，揭示了高效能等离子体激励与燃烧流动、传热传质和化学反应动力学多场耦合机制。研究成果有效地验证了等离子体强化燃烧技术在提高发动机燃烧室恶劣工作条件下点火和助燃的可行性，增强点火的可靠性和燃烧的稳定性。