CN111623374B - 利用表面电弧等离子体激励调控v型火焰稳定器尾缘流动的装置和方法 - Google Patents

Abstract

提供一种利用表面电弧等离子体激励调控v型火焰稳定器尾缘流动的装置，该装置包括v型火焰稳定器、等离子体激励器和电源。燃烧室进口的高速高温气流通过上避面和下壁面与圆柱形腔体之间的气孔106流入火焰稳定器内部回流区103，气孔106用于自外界向v型腔输入空气101助燃，多通道放电产生的多个电弧相连在一起，形成多通道电弧放电阵列。还提供一种利用表面电弧等离子体激励调控v型火焰稳定器尾缘流动的方法。本发明的装置和方法能够抑制流动分离，改变涡的结构形状以及降低涡脱落频率，扩大回流区尺寸，拓展油气掺混范围，增加混燃的区域，提高v型火焰稳定器的流动品质及稳燃边界。

Description

利用表面电弧等离子体激励调控v型火焰稳定器尾缘流动的 装置和方法

技术领域

本发明属于航空领域的等离子体流动控制技术，具体涉及一种利用表面电弧等离子体激励调控v型火焰稳定器流动的装置和方法。

背景技术

火焰稳定器是一种用以在燃烧设备中保持火焰稳定的装置，其中v型火焰稳定器是最基本的钝体火焰稳定器，结构简单，应用经验丰富，主要用于亚音速流场的火焰稳定，其在亚燃冲压发动机燃烧室中已取得很好的稳焰效果，是亚燃冲压发动机燃烧室中必不可少的设备。火焰稳定器的火焰稳定性和燃烧效率很大程度上决定于钝体后流体的流动特性。在气流流向稳定器时，从稳定器尾缘开始，主流剪切层开始与内部低速流体接触，速度和压力的差异导致在尾缘附近形成了大尺度的漩涡，漩涡不断卷吸主流而长大，随着漩涡尺度的增大，涡心越来越往下游移动而且其对火焰的控制范围越来越广，到一定尺度时，漩涡发生脱落。通过漩涡的形成和脱落的交替进行来稳定火焰。

在稳定火焰的同时，由于涡的周期性脱落，在尾缘处易产生流动分离，使其回流区范围变小。因此，根据对亚燃冲压燃烧室火焰稳定器尾缘扩大回流区尺寸，拓展油气掺混范围，增加混燃区域的重要需求，火焰稳定器尾流等离子体气动激励流场调控得到研究学者的广泛关注。

在现有的调控技术中，主要采用的是通过改变火焰稳定器尾缘气动布局或改变稳定器结构形状来进行调控。前者指在稳定器尾部表面添加板块，使其流场发生变化，改变其涡的脱落频率。后者指通过改变例如张角和堵塞比的稳定器构型参数来改变流场特性，使其回流区增大。但这两种方式均具有机械装置复杂、总压损失较大等难以克服的不足。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种利用表面电弧等离子体激励调控v型火焰稳定器尾缘流动的装置，其特征在于：

v型火焰稳定器为槽形，该槽的上下左右四面壁板包括上壁面、下壁面以及左壁面、右壁面，下壁面水平放置，上壁面与下壁面之间存在夹角，上、下壁面的纵截面呈缺少尖部的V形，因此v型火焰稳定器内部空腔为“v型腔”；左右壁面分别从左右两侧夹住上、下壁面，并与二者均固定连接；

在上、下壁面后方，上壁面和下壁面之间是后壁面，后壁面包括上板、圆柱形腔体、下板三部分；上板为矩形薄板，上板从上壁面后边沿自然下垂，上板的左右两侧与左、右壁面固定连接，上板的上侧与上壁面后边沿固定连接；下板亦为矩形薄板，下板从下壁面后边沿自然竖立，下板的左右两侧与左、右壁面固定连接，下板的下侧与下壁面后边沿固定连接；圆柱形腔体固定在上板、下板之间，圆柱形腔体的轴线为左、右方向，腔体右端封闭，左端为燃油入口；

在圆柱形腔体面向v型腔的圆弧形凹壁面上，沿与圆柱形腔体轴线平行处的适当位置，设置两排小孔，作为导流孔104，用于自圆柱形腔体向v型腔输入油气；在圆柱形腔体表面，以导流孔104圆心为对称，在导流孔外的上、下两侧对称布置一对耐高温的圆柱形电极，圆柱形电极沿圆柱形腔体外侧周向延伸，圆柱形电极包括圆柱形正电极11和圆柱形负电极12，所有正电极11远离导流孔104的一端相连，所有负电极12远离导流孔104的一端相连，因此，每一对电极之间都是并联连接；圆柱形电极对用于产生用于裂解的等离子体；此外，在上板上，沿与圆柱形腔体轴线平行处的适当位置，打一排比导流孔104稍大的孔，作为气孔106；在下板上，沿与圆柱形腔体轴线平行处的适当位置，也打一排气孔106；气孔106用于自外界向v型腔输入空气101助燃；从v型火焰稳定器后面看，两排气孔106和两排导流孔104彼此隔离，油气和空气在进入v型腔之前，不会混合；燃烧室进口的高速高温气流通过上避面和下壁面与圆柱形腔体之间的气孔106流入火焰稳定器内部回流区103，可有效降低火焰稳定器后方的湍流程度，较少来流损失；

在V型火焰稳定器尾缘上壁面外侧和下壁面外侧敷设由放电电极和陶瓷绝缘基板组成的表面电弧等离子体激励器，在上壁面外侧激励器中，从左端第一个放电电极开始，相邻两个放电电极形成一对放电电极，这对放电电极间会产生等离子体电弧，电弧在来流的气流气动力作用下，可有效将火焰稳定器后方涡打碎，进而降低流动分离所带来的影响，如果上壁面外侧激励器一共有N个放电电极，则形成N/2个放电电极对；下壁面外侧的放电电极与上壁面外侧的放电电极位置对应，数量相等，作用相同；放电时，围绕放电电极排布的区域，多通道放电产生的多个电弧相连在一起，形成多通道电弧放电阵列；陶瓷绝缘基板安装在上壁面和下壁面尾缘处；将陶瓷绝缘基板直接安装在上壁面和下壁面上，再在陶瓷绝缘基板上面放置所述放电电极；

第一个放电电极和最后一个放电电极通过导线引出，分别连接电源的正负极，从而驱动激励器工作；圆柱形正电极连接电源正极，圆柱形负电极连接电源负极。这两个电源可以一样也可以不一样，根据实际挑选电源。本实例中是两个电源一样。

在本发明的一个实施例中，v型火焰稳定器的左右壁面相互平行放置，后壁面的上板和下板位于同一平面；上壁面、下壁面、左壁面、右壁面、上板、下板、圆柱形腔体之间固定密闭连接。

在本发明的另一个实施例中，圆柱形腔体直径为11～13mm，气孔直径为3～4mm，导流孔直径为1～2mm；上壁面与下壁面之间的夹角为25°～45°。

在本发明的一个具体实施例中，上壁面与下壁面之间的夹角为选30°～40°。

在本发明的另一个具体实施例中，圆柱形腔体直径为12mm，气孔直径为3.5mm，导流孔直径为1.5mm，上壁面与下壁面之间的夹角为30°，大气孔和导流孔的数量均为20。

在本发明的一个实施例中，同一组放电通道中的放电电极间距d＝1～2mm；相邻两组放电通道间距相等。

在本发明的一个具体实施例中，N＝10，d＝1mm；相邻两组放电电极之间的距离大于d。

还提供一种利用表面电弧等离子体激励调控v型火焰稳定器尾缘流动的方法：

步骤一：接通微妙脉冲等离子体电源为电路通电，储备能量；

步骤二：接通电源后，表面电弧等离子体激励器两端的电压上升，第一组电极对达到击穿电压后，电极间的空气被击穿，气体由绝缘体转变为了导体，然后第二组电极对之间电压将达到击穿电压，空气被击穿，依次类推，则激励器内的电极对均会产生等离子体电弧，电极对击穿间隔时间极短；

步骤三：等离子体激励器产生的表面电弧可以改变附面层气体的属性，改变局部的流场，抑制流动分离，同时使火焰稳定器尾缘产生的脱落驻留时间更长，扩大回流区尺寸，拓展油气掺混范围。

本发明的优点在于：采用表面电弧等离子体激励对v型火焰稳定器的流动进行控制，通过高强度、宽频带、非定常等离子体激励改变火焰稳定器尾缘分离点的位置进而调控回流区的驻留时间，通过改变涡形状及尺寸和涡脱落频率，进而调控流场，使火焰面拉伸率改变，扩展可燃边界和稳焰边界。

利用此方法，可以在不改变火焰稳定器形状及结构的前提下，减小流动分离区域，较大幅度地加强火焰燃烧的稳定性。

附图说明

图1为表面电弧等离子体气动激励在v型火焰稳定器上下壁面的设置示意图；

图2为v型火焰稳定器来流方向的视图。

101——来流方向

102——表面电弧放电激励器布局

103——回流区

104——导流孔

105——电极高压端

106——气孔

11——圆柱形正电极

12——圆柱形负电极

具体实施方式

现结合附图1对本发明方法作进一步的描述。本发明提供一种利用表面电弧等离子体激励调控v型火焰稳定器尾缘流动的装置。

v型火焰稳定器为槽形，该槽四面壁板包括上壁面、下壁面以及左右壁面，下壁面水平放置，上壁面与下壁面之间存在夹角，上、下壁面的纵截面呈缺少尖部的V形，故称其为“v型”火焰稳定器，“v型”火焰稳定器内部空腔为“v型腔”。左右壁面分别从左右两侧夹住上、下壁面，并与二者均固定连接，左右壁面通常相互平行放置。如图1所示，在上、下壁面后方，上壁面和下壁面之间是后壁面，后壁面包括上板、圆柱形腔体、下板三部分。上板为矩形薄板，上板从上壁面后边沿自然下垂，上板的左右两侧与左、右壁面固定连接。下板亦为矩形薄板，下板从下壁面后边沿自然竖立，下板的左右两侧与左、右壁面固定连接。通常情况下，上板和下板位于同一平面。圆柱形腔体固定在上板、下板之间，圆柱形腔体的轴线为图1所示的左、右方向，腔体右端封闭，左端为燃油入口；在圆柱形腔体面向v型腔的圆弧形凹壁面上，沿与圆柱形腔体轴线平行处的适当位置，设置两排小孔，作为导流孔104，用于自圆柱形腔体向v型腔输入油气。在圆柱形腔体表面，以导流孔圆心为中心，以如图1所示的上、下方向对称布置一对耐高温的圆柱形电极，包括圆柱形正电极11和圆柱形负电极12，所有正电极11远离导流孔的一端相连，所有负电极12远离导流孔的一端相连，因此，每一对电极之间都是并联连接的关系。圆柱形电极对产生等离子体，对从导流孔104喷出的燃油进行裂解，促进燃油在回流区103的燃烧。此外，在上板上，沿与圆柱形腔体轴线平行处的适当位置，打一排稍大的孔，作为气孔106；在下板上，沿与圆柱形腔体轴线平行处的适当位置，打一排稍大的孔，亦作为气孔106；气孔106用于自外界向v型腔输入空气101助燃，使输入的空气101与从导流孔104雾化喷出的燃油混合，提高火焰稳定器内部的油气混合程度，提高点火成功率。上壁面、下壁面、左壁面、右壁面、上板、下板、圆柱形腔体之间固定密闭连接，从v型火焰稳定器后面看，两排气孔106和两排导流孔104彼此隔离，油气和空气在进入v型腔之前，不会混合。燃烧室进口的高速高温气流通过上避面和下壁面与圆柱形腔体之间的气孔106流入火焰稳定器内部回流区103，可有效降低火焰稳定器后方的湍流程度，较少来流损失。

圆柱形腔体直径为11～13mm，气孔直径为3～4mm，导流孔直径为1～2mm。上壁面与下壁面之间的夹角为25°～45°，优选30°～40°。在本发明的一个实施例中，圆柱形腔体直径为12mm，气孔直径为3.5mm，导流孔直径为1.5mm，上壁面与下壁面之间的夹角为30°，大气孔和导流孔的数量均为20。

本发明将表面电弧等离子体激励器与V型火焰稳定器结合设计，火焰稳定器尾缘上壁面外侧和下壁面外侧敷设由放电电极和陶瓷绝缘基板组成的表面电弧等离子体激励器，如图1所示，例如，上壁面外侧激励器中，从左端第一个放电电极开始，相邻两个放电电极形成一对放电电极，这对放电电极间会产生等离子体电弧，电弧在来流的气流气动力作用下，可有效将火焰稳定器后方涡打碎，进而降低流动分离所带来的影响，如果上壁面外侧激励器一共有N个放电电极，则形成N/2个放电电极对。下壁面外侧的放电电极与上壁面外侧的放电电极位置对应，数量相等，作用相同。放电时，围绕放电电极排布的区域，多通道放电产生的多个电弧相连在一起，形成多通道电弧放电阵列。

陶瓷绝缘基板为耐高温陶瓷绝缘基板，安装在上壁面和下壁面尾缘处。将陶瓷绝缘基板直接安装在上壁面和下壁面上，再在陶瓷绝缘基板上面放置放电电极，放电电极通常为片状。

放电电极为薄膜状耐高温导电性好的电极，N个放电电极沿火焰稳定器尾缘中央位置对称敷设在耐高温陶瓷绝缘基板上，N为偶数。从第一个放电电极开始，每两个相邻的放电电极形成一组放电通道，同一组放电通道中的放电电极间距d＝1～2mm，N个放电电极共形成N/2组放电通道，相邻两组放电通道间距相等，相邻两组放电电极之间的距离一般大于d。第一个放电电极和最后一个放电电极通过导线引出，分别连接电源的正负极，从而驱动激励器工作。本实施例中，N为10，d为1mm。

电源为纳秒脉冲电源，微妙脉冲电源等。本实施例中，采用的电源为微秒脉冲等离子体电源，电源的上升沿约为2μs，脉宽约为30μs，电压0-40kv连续可调，脉冲频率0-10kHz连续可调。

本实施例中，将表面电弧等离子体激励器与V型火焰稳定器相结合后运用到亚燃冲压发动机燃烧室中，同时打开上壁面和下壁面外侧的等离子体激励器，当亚音速气流流过稳定器尾缘时，脉冲等离子体激励器对回流区103产生冲击作用使涡破碎，改变涡脱落频率，致使回流区103驻留时间变长，能够更好促进掺混，使火焰更加稳定燃烧。

本发明的装置和方法的效果是：抑制流动分离，改变涡的结构形状以及降低涡脱落频率，扩大回流区尺寸，拓展油气掺混范围，增加混燃的区域，提高v型火焰稳定器的流动品质及稳燃边界。

Claims (7)

1.利用表面电弧等离子体激励调控v型火焰稳定器尾缘流动的装置，其特征在于：

v型火焰稳定器为槽形，该槽的上下左右四面壁板包括上壁面、下壁面以及左壁面、右壁面，下壁面水平放置，上壁面与下壁面之间存在夹角，上、下壁面的纵截面呈缺少尖部的V形，因此v型火焰稳定器内部空腔为“v型腔”；左右壁面分别从左右两侧夹住上、下壁面，并与二者均固定连接；

在上、下壁面后方，上壁面和下壁面之间是后壁面，后壁面包括上板、圆柱形腔体、下板三部分；上板为矩形薄板，上板从上壁面后边沿自然下垂，上板的左右两侧与左、右壁面固定连接，上板的上侧与上壁面后边沿固定连接；下板亦为矩形薄板，下板从下壁面后边沿自然竖立，下板的左右两侧与左、右壁面固定连接，下板的下侧与下壁面后边沿固定连接；圆柱形腔体固定在上板、下板之间，圆柱形腔体的轴线为左、右方向，腔体右端封闭，左端为燃油入口；

在圆柱形腔体面向v型腔的圆弧形凹壁面上，沿与圆柱形腔体轴线平行处的适当位置，设置两排小孔，作为导流孔104，用于自圆柱形腔体向v型腔输入油气；在圆柱形腔体表面，以导流孔104圆心为对称，在导流孔外的上、下两侧对称布置一对耐高温的圆柱形电极，圆柱形电极沿圆柱形腔体外侧周向延伸，圆柱形电极包括圆柱形正电极11和圆柱形负电极12，所有正电极11远离导流孔104的一端相连，所有负电极12远离导流孔104的一端相连，因此，每一对电极之间都是并联连接；圆柱形电极对用于产生用于裂解的等离子体；此外，在上板上，沿与圆柱形腔体轴线平行处的适当位置，打一排比导流孔104稍大的孔，作为气孔106；在下板上，沿与圆柱形腔体轴线平行处的适当位置，也打一排气孔106；气孔106用于自外界向v型腔输入空气101助燃；从v型火焰稳定器后面看，两排气孔106和两排导流孔104彼此隔离，油气和空气在进入v型腔之前，不会混合；燃烧室进口的高速高温气流通过上避面和下壁面与圆柱形腔体之间的气孔106流入火焰稳定器内部回流区103，可有效降低火焰稳定器后方的湍流程度，较少来流损失；

在V型火焰稳定器尾缘上壁面外侧和下壁面外侧敷设由放电电极和陶瓷绝缘基板组成的表面电弧等离子体激励器，在上壁面外侧激励器中，从左端第一个放电电极开始，相邻两个放电电极形成一对放电电极，这对放电电极间会产生等离子体电弧，电弧在来流的气流气动力作用下，可有效将火焰稳定器后方涡打碎，进而降低流动分离所带来的影响，如果上壁面外侧激励器一共有N个放电电极，则形成N/2个放电电极对；下壁面外侧的放电电极与上壁面外侧的放电电极位置对应，数量相等，作用相同；放电时，围绕放电电极排布的区域，多通道放电产生的多个电弧相连在一起，形成多通道电弧放电阵列；陶瓷绝缘基板安装在上壁面和下壁面尾缘处；将陶瓷绝缘基板直接安装在上壁面和下壁面上，再在陶瓷绝缘基板上面放置所述放电电极；

第一个放电电极和最后一个放电电极通过导线引出，分别连接电源的正负极，从而驱动激励器工作；圆柱形正电极连接电源正极，圆柱形负电极连接电源负极；这两个电源可以一样也可以不一样，根据实际挑选电源。

2.如权利要求1所述的利用表面电弧等离子体激励调控v型火焰稳定器尾缘流动的装置，其特征在于，v型火焰稳定器的左右壁面相互平行放置，后壁面的上板和下板位于同一平面；上壁面、下壁面、左壁面、右壁面、上板、下板、圆柱形腔体之间固定密闭连接。

3.如权利要求1所述的利用表面电弧等离子体激励调控v型火焰稳定器尾缘流动的装置，其特征在于，圆柱形腔体直径为11～13mm，气孔直径为3～4mm，导流孔直径为1～2mm；上壁面与下壁面之间的夹角为25°～45°。

4.如权利要求3所述的利用表面电弧等离子体激励调控v型火焰稳定器尾缘流动的装置，其特征在于，上壁面与下壁面之间的夹角为选30°～40°。

5.如权利要求4所述的利用表面电弧等离子体激励调控v型火焰稳定器尾缘流动的装置，其特征在于，圆柱形腔体直径为12mm，气孔直径为3.5mm，导流孔直径为1.5mm，上壁面与下壁面之间的夹角为30°，大气孔和导流孔的数量均为20。

6.如权利要求1所述的利用表面电弧等离子体激励调控v型火焰稳定器尾缘流动的装置，其特征在于，同一组放电通道中的放电电极间距d＝1～2mm；相邻两组放电通道间距相等。

7.如权利要求6所述的利用表面电弧等离子体激励调控v型火焰稳定器尾缘流动的装置，其特征在于，N＝10，d＝1mm；相邻两组放电电极之间的距离大于d。

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