航空煤油预燃室中高温湍流射流的特性分析与相似性研究

《Combustion and Flame》：Characterization and similarity analysis of high-temperature turbulent jets in an aviation kerosene pre-chamber

航空煤油预燃烧室喷射点火（PJI）的动态特性研究表明，系统对初始喷射压力具有内在稳健性，源于混合物制备与初始喷射动量的解耦机制，并通过量化射流速度波动揭示了宏观行为与涡动力学演化的直接关联，最终建立通用无量纲关联。

　　

张梦楠|杨学瑞|王虎|郑尊清|姚明发

天津大学发动机国家重点实验室，中国天津市南开区卫津路92号，300072

摘要

为了满足先进动力系统对高效清洁燃烧的需求，预燃室喷射点火（PJI）作为一种强化点火的有前景策略，受到了广泛关注。然而，对于航空煤油等重质烃燃料，控制PJI过程的基本物理原理尚未完全阐明。在本研究中，我们使用恒容燃烧弹对航空煤油预燃室产生的湍流射流的动态特性进行了实验研究。研究首先揭示了系统对初始喷射压力的固有鲁棒性。这种鲁棒性的物理起源归因于混合制备过程与初始喷射动量之间的解耦。其次，通过对射流速度波动的定量分析，建立了射流的宏观行为与其底层涡流动态演变之间的直接关联。最后，本研究建立了一个普适的无量纲关联式，统一了所有实验条件。这一结果揭示了一种由动态压力源和二次燃烧协同作用控制的新复杂射流现象。这项研究不仅加深了对重质燃料PJI过程物理机制的理解，还为相关先进动力系统的设计和优化提供了理论基础。

引言

全球能源格局和交通领域正在经历深刻变革。以低空经济为代表的新兴领域，对大型、长航时无人机（UAV）和电动垂直起降（eVTOL）飞机的推进系统提出了新的要求[[1], [2], [3]]。与此同时，先进地面应用和分布式能源系统对具有更高效率和功率密度的内燃机（ICE）和小型燃气轮机的需求也在增长[4,5]。在这些应用中，几种技术路径受到了关注：高功率密度的航空活塞发动机和小型或微型燃气轮机，它们使用重质燃料；Qiu等人[6]提出了反应性分层技术以提高热效率，为高效强化燃烧提供了有效途径。与汽油或天然气等传统燃料相比，航空煤油具有更高的能量密度和更好的安全性。然而，其固有特性（如低挥发性、高粘度和复杂的沸腾特性）给实现高效清洁燃烧带来了重大挑战[7,8]。在这些先进动力系统的设计目标下，这些挑战尤为突出，这些系统通常包括高压力比和高功率重量比。因此，如何实现对这类重质燃料的快速、稳定和高效的控制成为核心技术挑战，而较差的喷射和传输特性往往导致在日益紧凑和恶劣的燃烧环境中点火困难且燃烧缓慢。传统的火花点火系统在这些复杂条件下（如高湍流和宽当量比范围）表现出显著局限性，通常导致点火能量不足和火焰传播缓慢[9,10]。这些限制成为进一步提升这些先进动力系统性能的关键瓶颈。

为了解决这些挑战，预燃室喷射点火（PJI）作为一种强化点火的高级策略重新受到学术界和工业界的广泛关注[11,12]。该技术通过在辅助预燃室内点燃富燃料混合物来工作，从而产生高温、高速度的湍流射流，点燃主燃烧室。这种体积分布式的点火方式在扩展稳定燃烧极限方面展现出巨大潜力，从而提高了整体燃烧效率和稳定性。PJI的应用前景广泛，涵盖了各种内燃机[13]。例如，它可以用来提高航空活塞发动机的运行效率，或稳定小型燃气轮机的稀薄燃烧以减少NOx排放[14]。因此，对预燃室喷射点火控制物理机制的基本理解具有重要的科学意义，因为它为这些新兴动力和推进系统的发展提供了理论基础。

近年来，由于现代动力系统对高效清洁燃烧的需求，PJI的研究取得了显著进展。PJI在减少发动机排放、扩展稀薄燃烧极限和增强燃烧稳定性方面的优势已得到广泛验证。许多采用高速光学诊断的研究阐明了PJI的复杂物理化学过程。这些研究确定了关键阶段，包括燃烧产物从预燃室的喷射、主燃烧室的多点点火以及随后的火焰传播[[15], [16], [17], [18]]。Biswas等人[19]在恒容燃烧弹中研究甲烷/空气和氢/空气混合物的PJI时发现，点火机制受到化学动力学和湍流混合的共同控制。Sadanandan等人[20]通过详细激光诊断表明，点火通常发生在射流头部的强烈混合区域。进一步的研究表明，由射流输送的活性自由基（如OH和H）对于加速主燃烧室中的链式分支反应至关重要，从而确保了稳定的点火。关于射流形态，Li等人发现了超音速射流中的马赫盘结构。其形成与喷嘴直径和预燃室与主燃烧室之间的压力比有关，它们的存在会影响射流的能量分布，进而影响火焰稳定性[21,22]。从微观角度来看，Qin等人的直接数值模拟工作揭示了喷嘴几何形状、点火核位置和初始湍流对PJI过程的复杂影响。此外，研究人员系统地研究了关键预燃室设计和操作参数对燃烧性能的影响。Toulson及其团队使用快速压缩机进行的研究表明，减小喷嘴直径可以提高射流的点火能量和穿透能力，但过小的直径可能导致火焰熄灭[24]。Hua等人的工作强调，优化预燃室体积和喷嘴数量对于提高稀薄燃烧发动机的性能至关重要。对于氢燃料，Biswas等人的数值研究探讨了预燃室当量比和火花位置对氢/空气混合物点火特性的影响。此外，环境压力也被确认为一个关键参数；较高的环境压力可以增加反应速率，但也会显著增加射流遇到的流体动力阻力[27]。在应用层面，PJI技术在各种发动机平台上展示了巨大潜力。Zeman等人的研究探讨了一种主动预燃室策略，以克服低十六烷值燃料的反应性不足问题，确定预燃室当量比是控制生物乙醇-汽油混合物点火性能的主要因素。Cao等人[29]证实，预燃室射流控制的燃烧策略是同时提高燃料效率和减少大型船用天然气发动机甲烷排放的有效途径。

值得注意的是，现有大多数研究主要集中在气体或高挥发性燃料（如甲烷、氢气和异辛烷）上。当PJI技术应用于低挥发性、多组分重质燃料（如航空煤油）时，情况变得复杂得多。煤油的独特特性——即其多组分性质、宽沸程和形成液膜的趋势——使得预燃室内的混合制备过程与气体燃料有根本不同[30]。虽然一些研究开始探索液体燃料预燃室（例如，Wang等人[14,31]对煤油发动机PJI系统的实验工作发现PJI可以缩短点火延迟），但总体而言，该领域仍处于探索阶段。特别是在预燃室这种几何受限、高温的环境中，壁膜蒸发可能成为混合物形成的主导机制，超过飞行中的液滴蒸发。这种机制转变意味着基于气体燃料或理想化喷射假设的大量研究结果可能不直接适用于航空煤油预燃室。因此，关于航空煤油PJI系统的基本物理原理仍存在知识空白。

因此，本研究在一个受控实验平台上系统地研究了关键预燃室几何和操作参数对航空煤油湍流射流动态演变的影响。这项工作旨在揭示在这种几何受限条件下的射流固有稳定性机制及其对这些核心参数的动态响应。研究结果旨在提供基本的物理洞察和实验数据，以支持先进动力系统PJI技术的发展。

实验装置和核心组件

实验在恒容燃烧弹中进行。该平台为研究PJI的燃烧和动态过程提供了受控的热力学边界条件。实验系统和采用的诊断策略在图1中示意性地展示。系统的核心包括一个内部体积为5.12毫升的预燃室（PC）和一个体积为2000毫升的光学可访问主燃烧室（MC）。

预燃室由...

PJI系统的鲁棒性：宏观收敛性和微尺度可调性

PJI系统的工程价值在很大程度上取决于其在可变操作条件下的稳定性和重复性。在实际应用中，特别是那些使用共轨喷射系统的应用中，燃料喷射压力会随着发动机负荷的变化而显著波动。因此，理解系统对初始喷射条件变化的固有响应至关重要。本节旨在提供系统的详细分析

结论

本研究系统地研究了来自航空煤油预燃室的高温湍流射流的特性和相似性分析。主要结论如下：

1.

该系统表现出宏观收敛性和微尺度可调性的双重特性。其鲁棒性源于通过壁膜蒸发将混合制备与喷射动力学解耦，从而确保了高度一致和可重复的点火射流。

2.

喷嘴直径决定了内部压力

创新性和重要性声明

本研究利用航空煤油探索了预燃室喷射点火（PJI）的复杂物理机制。研究结果表明系统具有固有的鲁棒性，这归因于壁膜蒸发机制，该机制将混合制备与初始喷射动力学解耦。通过分析速度波动，建立了射流宏观演变与其底层涡流动态之间的潜在联系。此外，本研究提出了一个射流穿透的无量纲关联式

CRediT作者贡献声明

张梦楠：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，方法论，调查，形式分析。杨学瑞：验证。王虎：监督，项目管理，资金获取，数据管理，概念化。郑尊清：监督，方法论，概念化。姚明发：资源，项目管理，数据管理。