李明磊, 吳 寧, 侯凌云, 任祝寅,,*

(1. 清華大學(xué) 燃燒能源中心, 北京 100084; 2. 清華大學(xué) 航天航空學(xué)院, 北京 100084)

特約

強(qiáng)湍流下點(diǎn)火及火焰?zhèn)鞑C(jī)理研究進(jìn)展

李明磊1, 吳 寧1, 侯凌云2, 任祝寅1,2,*

(1. 清華大學(xué) 燃燒能源中心, 北京 100084; 2. 清華大學(xué) 航天航空學(xué)院, 北京 100084)

可燃預(yù)混氣點(diǎn)火過(guò)程研究是發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒領(lǐng)域最重要的課題之一。 當(dāng)前電火花強(qiáng)制點(diǎn)火廣泛應(yīng)用于各類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中，其點(diǎn)火過(guò)程具有很強(qiáng)的瞬變性，從電火花產(chǎn)生到火焰完全形成的整個(gè)過(guò)程中，多種復(fù)雜因素聯(lián)合影響點(diǎn)火火核的產(chǎn)生和發(fā)展。 目前發(fā)動(dòng)機(jī)高壓、強(qiáng)湍流工況下的點(diǎn)火和火焰?zhèn)鞑C(jī)理認(rèn)識(shí)還不完善，亟需研究的科學(xué)問(wèn)題是湍流和化學(xué)反應(yīng)相互作用對(duì)點(diǎn)火和火焰?zhèn)鞑サ挠绊憴C(jī)制及其建模，包括湍流對(duì)點(diǎn)火的促進(jìn)/抑制機(jī)制，湍流對(duì)火焰?zhèn)鞑ズ突鹧嬲w發(fā)展的影響規(guī)律，燃燒釋熱和火焰面不穩(wěn)定性對(duì)湍流脈動(dòng)速度(即火焰產(chǎn)生的湍流)的影響機(jī)制和對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊脑鰪?qiáng)機(jī)制及由此導(dǎo)致的層流燃燒自加速轉(zhuǎn)捩為湍流燃燒的理論， 燃燒過(guò)程對(duì)標(biāo)量通量輸運(yùn)(即反向或壓力驅(qū)動(dòng)輸運(yùn))的影響機(jī)制。本文對(duì)強(qiáng)湍流下點(diǎn)火及火焰?zhèn)鞑ダ碚摗?shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方面的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

可燃預(yù)混氣；點(diǎn)火；火焰?zhèn)鞑?；湍流；火焰不穩(wěn)定性

0 引 言

可燃預(yù)混氣點(diǎn)火過(guò)程研究是燃燒領(lǐng)域最重要的課題之一，廣泛存在于內(nèi)燃機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等燃燒應(yīng)用中[1-3]。點(diǎn)火過(guò)程的優(yōu)化對(duì)于許多燃燒室的設(shè)計(jì)都舉足輕重。舉例來(lái)講，噴氣式飛機(jī)設(shè)計(jì)安全要求航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造商保證在飛機(jī)發(fā)生高空熄火后能夠成功進(jìn)行二次點(diǎn)火 (Federal Aviation Administration 2000; European Aviation Safety Agency 2003)。對(duì)于直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，高海拔下發(fā)動(dòng)機(jī)的冷啟動(dòng)性能對(duì)于山地救援等任務(wù)也非常重要。在海拔6000米以上環(huán)境大氣壓低于5×104Pa，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體、燃料的溫度將低于-40℃，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室噴嘴的霧化性能和燃料的蒸發(fā)過(guò)程會(huì)受到極大影響，導(dǎo)致點(diǎn)火異常困難。與此同時(shí)，由于日趨嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)與能效要求，各類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)工作在貧燃或回流燃?xì)庀♂屓紵r下越來(lái)越普遍，造成極端條件下燃燒不穩(wěn)定性增強(qiáng)，更易于發(fā)生火焰吹熄現(xiàn)象。這就需要在設(shè)計(jì)這類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒室點(diǎn)火裝置及其布置位置時(shí)更加謹(jǐn)慎和細(xì)化，確?？煽奎c(diǎn)火或在發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生火焰吹熄后實(shí)現(xiàn)快速、可靠的二次點(diǎn)火。

目前電火花強(qiáng)制點(diǎn)火廣泛應(yīng)用于各類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒器中,其點(diǎn)火原理為利用電火花放電將電能高效轉(zhuǎn)換為空間單點(diǎn)釋熱，并同時(shí)在釋熱點(diǎn)產(chǎn)生大量自由基來(lái)促使火核形成。整個(gè)點(diǎn)火過(guò)程主要由2個(gè)階段組成：點(diǎn)火核形成階段與點(diǎn)火核發(fā)展階段。點(diǎn)火核形成階段又可以劃分為2個(gè)步驟：第1個(gè)步驟是熱量釋放(火花放電)產(chǎn)生局部高溫氣體源，第2個(gè)步驟是小尺度球形火焰?zhèn)鞑ァＨ绻且后w燃料燃燒，點(diǎn)火核形成過(guò)程還包含燃料在被點(diǎn)燃前依靠電火花高溫?zé)嵩吹恼舭l(fā)氣化，及其在點(diǎn)火裝置周?chē)c空氣形成的可燃?xì)獾氖軣崤c著火。點(diǎn)火核的發(fā)展傳播階段則在2個(gè)不同的空間尺度得到具體體現(xiàn)：首先是點(diǎn)火核在火花塞附近如回流區(qū)域的小范圍輸運(yùn)，之后是火焰在整個(gè)腔體或燃燒器內(nèi)部的大范圍傳播?？紤]到目前設(shè)計(jì)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒器內(nèi)部普遍是湍流環(huán)境，火核傳播因此主要涉及火焰在湍流下的傳播及穩(wěn)定。

在過(guò)去半個(gè)世紀(jì)，靜止環(huán)境條件下點(diǎn)火問(wèn)題的研究已較為充分。早在1961年Lewis和Von Elbe[4]就通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)存在可以成功點(diǎn)火的最小火花直徑，即最小點(diǎn)火能的存在。在之后的研究中，Zeldovich等人[5]，Champion等人[6]引入了點(diǎn)火半徑內(nèi)質(zhì)量、能量的擴(kuò)散，發(fā)現(xiàn)對(duì)預(yù)混氣體存在能夠成功點(diǎn)火的最小火焰球直徑。 He[7]研究了寬Lewis數(shù)(Le)范圍條件下的點(diǎn)火問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Le小于某一值時(shí)，火焰球小于理論最小直徑也能成功點(diǎn)火。Ju和Chen[8]理論描述了靜止流場(chǎng)中火焰從點(diǎn)火核到火焰球，再到穩(wěn)定傳播火焰的發(fā)展過(guò)程和機(jī)理，并論證了火焰拉伸、輻射熱損失等因素對(duì)于點(diǎn)火過(guò)程的影響。Kelley等人[9]在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)對(duì)于Le小于1的預(yù)混氣體，一旦點(diǎn)火核建立火焰就可以順利傳播，對(duì)于Le大于1的預(yù)混氣體，只有點(diǎn)火能足以促使火核擴(kuò)張到一定尺寸以后火焰才可以繼續(xù)傳播；此外，實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)最小點(diǎn)火能隨著環(huán)境氣體壓力增大呈非單調(diào)變化。

相對(duì)來(lái)說(shuō)，湍流條件下的預(yù)混可燃?xì)獾狞c(diǎn)火研究則相對(duì)薄弱，人們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓、強(qiáng)湍流工況下的點(diǎn)火和火焰?zhèn)鞑C(jī)理認(rèn)識(shí)還不完善。電火花強(qiáng)制點(diǎn)火過(guò)程具有很強(qiáng)的瞬變性[10-11]。從電火花產(chǎn)生到火焰完全形成的整個(gè)過(guò)程中，多種復(fù)雜因素聯(lián)合影響點(diǎn)火火核的產(chǎn)生和發(fā)展，如火核所處位置的局部預(yù)混氣當(dāng)量比、流動(dòng)速度及其脈動(dòng)。因此，對(duì)電火花點(diǎn)火成功概率以及火焰發(fā)展過(guò)程的預(yù)測(cè)與其所處流場(chǎng)的各類(lèi)參數(shù)有著很強(qiáng)且復(fù)雜的依賴(lài)關(guān)系。目前基于減少NOx和UHC等排放設(shè)計(jì)的各類(lèi)燃燒室中電火花點(diǎn)火裝置所在區(qū)域流場(chǎng)速度增高、燃料當(dāng)量比降低，一定程度上削弱了發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火性能，而針對(duì)此問(wèn)題的相關(guān)研究還不完善。當(dāng)前強(qiáng)湍流下點(diǎn)火過(guò)程亟需研究的核心科學(xué)問(wèn)題是湍流和化學(xué)反應(yīng)相互作用對(duì)點(diǎn)火和火焰?zhèn)鞑サ挠绊憴C(jī)制及其建模。一方面湍流與火焰相互作用對(duì)點(diǎn)火的促進(jìn)或抑制作用、對(duì)火焰?zhèn)鞑ズ突鹧嬲w發(fā)展等的影響都需要進(jìn)一步的深入探究；另一方面燃燒釋熱和火焰面不穩(wěn)定性如Darrieus-Landau instability對(duì)湍流脈動(dòng)速度(即火焰產(chǎn)生的湍流)和標(biāo)量通量輸運(yùn)(即反向或壓力驅(qū)動(dòng)輸運(yùn))的影響還不清楚[12]；此外,可燃?xì)獾幕旌暇鶆蚨?尤其是對(duì)液體燃料的點(diǎn)火)也會(huì)顯著影響點(diǎn)火及火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程，相關(guān)研究也還不完善。本文將對(duì)強(qiáng)湍流下點(diǎn)火及火焰?zhèn)鞑C(jī)理研究的最新進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 湍流對(duì)點(diǎn)火的促進(jìn)或抑制作用

電火花點(diǎn)火的物理過(guò)程非常復(fù)雜, 它涉及很短時(shí)間、微小空間內(nèi)高溫高壓下的等離子體生成和復(fù)雜的湍流和化學(xué)反應(yīng)相互作用。國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展大量針對(duì)電火花參數(shù)、燃料、燃料-空氣混合過(guò)程、湍流等因素對(duì)點(diǎn)火和火焰?zhèn)鞑ビ绊憴C(jī)制的研究[13-24]。Ahmed等人[25]研究了可燃?xì)怏w射流中火花的位置、能量、持續(xù)時(shí)間、電極半徑、電極縫隙大小等因素對(duì)點(diǎn)火成功概率的影響，并測(cè)量了點(diǎn)火過(guò)程中的自由基組分分布。Shy等人[19]測(cè)量了各向同性湍流中最小點(diǎn)火能隨湍流強(qiáng)度、預(yù)混氣體組分、當(dāng)量比的變化情況，并發(fā)現(xiàn)對(duì)于甲烷/空氣預(yù)混氣在當(dāng)量比0.6時(shí)存在最小點(diǎn)火能的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。Cardin等人[24]利用激光誘導(dǎo)火花點(diǎn)燃湍流貧燃預(yù)混氣的方法驗(yàn)證和完善了Shy等人的發(fā)現(xiàn)，并記錄和分析了點(diǎn)火核與湍流的相互作用。然而，湍流在點(diǎn)火過(guò)程中所起的作用機(jī)制還不清楚。傳統(tǒng)的湍流點(diǎn)火分析中普遍認(rèn)為湍流的存在使得點(diǎn)火核的能量更容易耗散損失，從而使得點(diǎn)火變得更加困難，即在湍流影響下需要更大的點(diǎn)火能才能點(diǎn)燃預(yù)混氣體，這也在以上的各類(lèi)實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。然而在上述的所有對(duì)于湍流電火花點(diǎn)火的研究中，都未能考慮預(yù)混可燃?xì)饣鸷说膭?dòng)態(tài)特性。 Wu等人[25]近期較為系統(tǒng)地研究了較完善定義的湍流環(huán)境下的電火花點(diǎn)火過(guò)程，并第一次證實(shí)了點(diǎn)火過(guò)程中可燃?xì)饣鸷藙?dòng)態(tài)特性的重要性。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在較大Le條件下，湍流的存在可以使點(diǎn)火變得更加容易，即在較小點(diǎn)火能下就可以成功點(diǎn)火。圖1顯示了氫氣/空氣預(yù)混氣在當(dāng)量比為5.1，不同點(diǎn)火電壓及湍流強(qiáng)度下的點(diǎn)火核發(fā)展紋影圖像。從圖中可以看出，無(wú)湍流存在(urms=0)和弱湍流存在(urms=1.4m/s)的流場(chǎng)條件下，80V的點(diǎn)火裝置標(biāo)稱(chēng)電壓不能夠成功觸發(fā)點(diǎn)火；保持點(diǎn)火電壓不變，加強(qiáng)流場(chǎng)的湍流強(qiáng)度到(urms=2.9或5.4m/s)時(shí)，點(diǎn)火被成功觸發(fā)。分析認(rèn)為這是由于湍流使點(diǎn)火核周?chē)植繀^(qū)域的拉伸率變小甚至出現(xiàn)負(fù)值，因此有利于大Le預(yù)混氣體中的火焰?zhèn)鞑ァＴ趯?shí)際的內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用中，貧燃預(yù)混氣的Le通常大于1；而對(duì)于超臨界和液體存在的情況，Le遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1。研究肯定了實(shí)際應(yīng)用中利用適當(dāng)湍流增強(qiáng)點(diǎn)火成功概率的可能性，但還需要系統(tǒng)的研究來(lái)進(jìn)一步揭示湍流和化學(xué)反應(yīng)耦合機(jī)制。到目前為止對(duì)湍流到底是對(duì)點(diǎn)火起抑制還是誘導(dǎo)作用存在分歧，尚未有嚴(yán)格定量研究點(diǎn)火能與湍流強(qiáng)度對(duì)應(yīng)關(guān)系的工作。另外，現(xiàn)有研究大都是在較低壓力和低湍流工況下，高壓、強(qiáng)湍流工況下的湍流對(duì)點(diǎn)火的促進(jìn)或抑制作用的實(shí)驗(yàn)研究還需要進(jìn)一步發(fā)展和展開(kāi)。

圖1 氫氣/空氣預(yù)混氣在不同點(diǎn)火電壓及湍流強(qiáng)度下的點(diǎn)火核發(fā)展紋影圖像[25]

Fig.1 Sequential schlieren images of flame kernel development for H2/air at different turbulent levels and ignition voltages[25]

2 湍流預(yù)混火焰?zhèn)鞑C(jī)理

可燃?xì)恻c(diǎn)火過(guò)程中火核傳播的關(guān)鍵是火焰在湍流環(huán)境下的傳播規(guī)律。強(qiáng)湍流工況下，大尺度渦旋使火焰面產(chǎn)生不規(guī)則拉伸，同時(shí)小尺度渦旋又可能進(jìn)入火焰內(nèi)部改變其結(jié)構(gòu)，從而影響火焰?zhèn)鞑ズ突鹧嬲w發(fā)展[26]。量化湍流燃燒速率即湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c湍流等影響因素的關(guān)系是研究點(diǎn)火過(guò)程火核傳播的重中之重。

在實(shí)驗(yàn)方面，Venkateswaran等人[27]利用本生燈火焰，Smith等人[28]利用V型火焰，Lawn等人[29]利用平面火焰，Wang[29-30]等人利用恒容射流火焰，Bradley等人[32]利用球形火焰分別就湍流火焰形態(tài)、傳播速度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在這些不同的火焰形態(tài)中湍流火焰的動(dòng)態(tài)特性也各不相同，火焰速度的測(cè)量結(jié)果十分分散，表現(xiàn)出很強(qiáng)的幾何形狀依賴(lài)性。Driscoll[33]和Pope[34]指出湍流火焰的多尺度本質(zhì)以及湍流-化學(xué)反應(yīng)的強(qiáng)耦合特性是該領(lǐng)域的主要挑戰(zhàn)，一種較為可行的方法是針對(duì)某一種定義完善、幾何形狀簡(jiǎn)單的湍流火焰展開(kāi)實(shí)驗(yàn)，得到此特定形態(tài)湍流火焰統(tǒng)一的火焰?zhèn)鞑ニ俣榷x、影響因素和動(dòng)態(tài)特性。

目前, 在較高壓力(<106Pa)下，Chaudhuri等人[35]在定壓層流球形火焰實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上引入湍流風(fēng)扇，實(shí)現(xiàn)了定壓條件下較高湍流度(Ret<14000)的火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y(cè)量，對(duì)球形火焰這個(gè)特定形態(tài)下的湍流火焰速度進(jìn)行了定義和初步的標(biāo)度律分析。如圖2所示，實(shí)驗(yàn)捕捉湍流下的球形火焰的動(dòng)態(tài)傳播過(guò)程后，利用圖像處理獲得火焰?zhèn)鞑ミ吘?，在多次?shí)驗(yàn)后即可獲得特定燃料、當(dāng)量比、環(huán)境壓力、湍流度下的平均湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

圖2 湍流球形火焰的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與圖像處理[36]

Fig.2 Schliren imaging and data processing of turbulent spherical flame experiment[36]

(a) 標(biāo)度律1[36]

(b) 標(biāo)度律2[35]圖3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在不同標(biāo)度律下的收斂效果Fig.3 Performance of different scaling methods

標(biāo)度律1：

標(biāo)度律2：

目前該項(xiàng)湍流球型火焰的實(shí)驗(yàn)尚不能在高壓(>106Pa)下進(jìn)行，且上述標(biāo)度律1與標(biāo)度律2僅適用于Markstein數(shù)大于0的情形，對(duì)于Markstein數(shù)小于0的混合氣的燃燒過(guò)程并不適用。

(a) 最大層流火焰速度定義

(b) 標(biāo)度律3下的收斂效果圖4 最大層流火焰速度定義與標(biāo)度律3下的收斂效果[27]

Fig.4 Definition of maximum laminar flame speed & performance of scaling method 3[27]

在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用以及實(shí)驗(yàn)室火焰中，對(duì)湍流火焰的相關(guān)研究都致力于利用少數(shù)變量(例如湍流強(qiáng)度、湍流尺度、雷諾數(shù)、層流火焰速度、層流火焰厚度和劉易斯數(shù)等)實(shí)現(xiàn)湍流火焰速度的統(tǒng)一度量。目前類(lèi)似的研究尚只適用于特定的火焰形態(tài)、涵蓋的湍流度與環(huán)境壓力范圍有限，適用于不同幾何形態(tài)的統(tǒng)一湍流火焰速度標(biāo)度律尚有待開(kāi)發(fā)，高壓、強(qiáng)湍流下火焰?zhèn)鞑ダ碚撨€不完善。

3 火焰面不穩(wěn)定性對(duì)湍流火焰?zhèn)鞑サ挠绊憴C(jī)制

高壓下，火核形成和火核傳播除了受湍流影響外，還受火焰面自身不穩(wěn)定性的影響。Darrieus[38]和Landau[39]分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)層流火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中氣體燃燒后的熱膨脹會(huì)使火焰面產(chǎn)生流動(dòng)不穩(wěn)定性，即Darrieus-Landau不穩(wěn)定性。Markstein[40]發(fā)現(xiàn)傳熱與傳質(zhì)的不均勻性將使得有限厚度的火焰面產(chǎn)生擴(kuò)散-傳熱不穩(wěn)定性。在之后的幾十年中，Sivashinsky[41], Williams[42], Bechtold和Matalon[43]等人在理論上，Bradly等人[44], Haq[45], Law等人[46]在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)并進(jìn)一步研究了這2種不穩(wěn)定的物理機(jī)制，發(fā)現(xiàn)火焰面的Darrieus-Landau不穩(wěn)定性隨著火焰面厚度的減薄而增強(qiáng)；擴(kuò)散-傳熱不穩(wěn)定性隨著預(yù)混氣體Le的升高而增強(qiáng)，隨著惰性氣體組分分子量的增大而減弱。Bradley等人[47]在常壓下進(jìn)行了大尺寸的預(yù)混火焰實(shí)驗(yàn)，使得火焰可以向外傳播到3m半徑的火焰面以觀察火焰不穩(wěn)定性的產(chǎn)生和發(fā)展情況。但由于大尺寸火焰受浮力影響很大，導(dǎo)致火焰面失去對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)而使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證和分析都異常困難。Haq[45]在一個(gè)定容球形火焰燃燒彈中針對(duì)甲烷/空氣預(yù)混氣體火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程的不穩(wěn)定現(xiàn)象進(jìn)行了一系列研究，發(fā)現(xiàn)定容條件導(dǎo)致的壓力上升促使火焰在更小半徑產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。美國(guó)Princeton大學(xué)的C.K. Law實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了定壓預(yù)混球形火焰實(shí)驗(yàn)裝置并以此為平臺(tái)較為系統(tǒng)地開(kāi)展了層流火焰不穩(wěn)定研究[45,47]，包括氣體種類(lèi)、環(huán)境壓力對(duì)火焰面不穩(wěn)定觸發(fā)和發(fā)展的影響，并初步研究了火焰速度增大對(duì)火焰不穩(wěn)定性的依賴(lài)關(guān)系，結(jié)果如圖5所示。但是由于實(shí)驗(yàn)腔體尺寸限制，尚無(wú)法得到不穩(wěn)定性帶來(lái)的火焰穩(wěn)定加速階段持續(xù)程度、火焰自加速燃燒發(fā)展到湍流燃燒可能性等相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(a) Darrieus-Landau不穩(wěn)定性導(dǎo)致的火焰加速

(b) 擴(kuò)散-傳熱不穩(wěn)定性導(dǎo)致的火焰加速

圖5 Darrieus-Landau不穩(wěn)定性與擴(kuò)散-傳熱不穩(wěn)定性分別導(dǎo)致的火焰加速現(xiàn)象[48]

Fig.5 Self-acceleration due to flame front instabilities: (a) Darrieus-Landau instability (b) Diffusional-thermal instability[48]

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外對(duì)于層流火焰不穩(wěn)定觸發(fā)機(jī)制的研究相對(duì)充分，然而火焰面不穩(wěn)定性對(duì)湍流火焰速度影響這一重要問(wèn)題至今沒(méi)有得到解答。人們已知火焰不穩(wěn)定的產(chǎn)生將增大火焰面面積進(jìn)而提高火焰速度，然而其使得火焰加速的增強(qiáng)幅度和持續(xù)時(shí)間尚沒(méi)有研究清楚，可信的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)缺乏，相應(yīng)的理論尚未建立。

4 湍流非預(yù)混燃燒點(diǎn)火過(guò)程研究

不論是在開(kāi)口流動(dòng)燃燒器中[13-14,48-51]還是在密閉燃燒腔體內(nèi)[53]，湍流預(yù)混燃燒的點(diǎn)火或火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程都有著相對(duì)明確的定義和具體的量化指標(biāo)。與之形成鮮明對(duì)比的是，盡管湍流非預(yù)混燃燒的點(diǎn)火與傳播現(xiàn)象在航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空二次點(diǎn)火、非均勻預(yù)混氣電火花點(diǎn)火等實(shí)際應(yīng)用中廣泛存在，其物理過(guò)程尚未得到明確定義與深入研究。舉例來(lái)講，已有的關(guān)于燃?xì)廨啓C(jī)點(diǎn)火過(guò)程的相關(guān)研究專(zhuān)注于如何通過(guò)改變流場(chǎng)條件和電火花參數(shù)以改善燃機(jī)的整體點(diǎn)火性能，然

而電火花布置位置的設(shè)計(jì)很大程度由安裝空間限制和可更換性決定，并未考慮腔體內(nèi)非預(yù)混氣的混合狀況及流場(chǎng)分布情況。

從燃燒室的角度來(lái)看，點(diǎn)火是火核形成并擴(kuò)張最終形成可持續(xù)火焰的全局過(guò)程。Ahmed Mastorakos[20]基于以上定義對(duì)空氣環(huán)境中軸對(duì)稱(chēng)甲烷射流的點(diǎn)火過(guò)程(非預(yù)混火焰)進(jìn)行了系列實(shí)驗(yàn)研究。他們發(fā)現(xiàn)點(diǎn)火成功概率Pign要比可燃因子F小，在射流下游平均當(dāng)量比等值面與射流軸線的相交點(diǎn)附近體現(xiàn)尤其明顯。不僅如此，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中觀察到電火花產(chǎn)生瞬間的局部流場(chǎng)速度分布對(duì)于點(diǎn)火成功與否有著顯著影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示電火花的點(diǎn)火能量、持續(xù)時(shí)間、電極間距、電極直徑對(duì)于非預(yù)混火焰點(diǎn)火成功概率的影響卻與預(yù)混火焰基本相同。他們?cè)诹硗庖豁?xiàng)關(guān)于湍流非預(yù)混對(duì)沖火焰的研究[19]中發(fā)現(xiàn)點(diǎn)火成功概率Pign比可燃因子F具有更寬的流場(chǎng)速度和稀釋比范圍，這是由于可燃區(qū)域外電火花產(chǎn)生的能量可以通過(guò)跨區(qū)域效應(yīng)被輸運(yùn)至可燃區(qū)域內(nèi)部，從而引發(fā)點(diǎn)火并體現(xiàn)為Pign的增大。除此之外，拉伸率的提高會(huì)大大降低點(diǎn)火成功概率Pign，事實(shí)上在拉伸率增大至穩(wěn)定火焰熄火(極限)拉伸率約90%時(shí)，將不能實(shí)現(xiàn)成功點(diǎn)火[19]。采用詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的層流非預(yù)混對(duì)稱(chēng)火焰的計(jì)算結(jié)果同樣表明能夠成功點(diǎn)火的最大臨界拉伸率低于火焰熄火(極限)拉伸率[57]，進(jìn)一步驗(yàn)證了該實(shí)驗(yàn)的相關(guān)結(jié)論。

即便目前對(duì)湍流非預(yù)混燃燒點(diǎn)火的研究中普遍采用軸對(duì)稱(chēng)射流或?qū)_這種簡(jiǎn)單流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，其研究結(jié)果已經(jīng)顯示點(diǎn)火過(guò)程很明顯地表現(xiàn)出對(duì)流場(chǎng)速度、組分分布及其各自的瞬間脈動(dòng)量的強(qiáng)依賴(lài)關(guān)系。然而真實(shí)燃燒室尤其是航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)中涉及更復(fù)雜的回流區(qū)域，在這種流場(chǎng)中電火花的點(diǎn)火過(guò)程尚未得到相應(yīng)研究，學(xué)者對(duì)于這類(lèi)點(diǎn)火過(guò)程中火核如何形成并傳播為可持續(xù)火焰的理解還非常缺乏。Ahmed等人[19]開(kāi)發(fā)出了一種新的湍流非預(yù)混錐形鈍體繞流燃燒器，該燃燒器采用放射狀燃料噴射來(lái)模擬燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室內(nèi)的復(fù)雜流場(chǎng)條件并研究了在此環(huán)境中的電火花點(diǎn)火特性。如圖6所示，2個(gè)同心噴嘴導(dǎo)入燃燒器入口，其中外噴嘴提供空氣，內(nèi)噴嘴提供燃料。攜帶燃料的內(nèi)噴嘴在燃燒器的入口處向外分叉形成錐狀鈍體，這樣提供了一個(gè)使空氣進(jìn)入燃燒器的環(huán)形結(jié)構(gòu)。燃料在鈍體邊緣從徑向方向?qū)ΨQ(chēng)射入軸向流動(dòng)的空氣流中，這樣就在噴嘴的入口實(shí)現(xiàn)了燃料與空氣的部分預(yù)混，且流場(chǎng)在錐形鈍體后部穩(wěn)定并形成一個(gè)中心回流區(qū)域。實(shí)驗(yàn)中分別使用LDV和丙酮PLIF方法測(cè)量流場(chǎng)速度和組分分布，利用高速OH PLIF方法實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火與火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程的可視化，從而最終得到了不同流場(chǎng)條件下點(diǎn)火成功概率的定量數(shù)據(jù)。

圖6 Ahmed等人開(kāi)發(fā)的湍流非預(yù)混錐形鈍體繞流燃燒器[19]

Fig.6 Turbulent nonpremixed bluff-body burner with radial fuel injection developed by Ahemd et al[19]

Subramanian[58]等人結(jié)合詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)建表小火焰面模型(flamelets with tabulated detailed chemistry)和設(shè)定pdfs方法對(duì)上述實(shí)驗(yàn)裝置中的點(diǎn)火過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與多種實(shí)驗(yàn)條件中觀察到的點(diǎn)火核的形成與發(fā)展過(guò)程進(jìn)行了對(duì)比和分析。從整體結(jié)果來(lái)看，該數(shù)值計(jì)算工作取得了與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較好的一致性，而且在與可測(cè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的對(duì)比中發(fā)現(xiàn)拉伸率對(duì)燃燒速率的影響明顯，需要在燃燒速率模型建立過(guò)程中予以考慮。在他們的研究中突出了點(diǎn)火過(guò)程的高度不確定性和統(tǒng)計(jì)學(xué)特征，指出對(duì)回流火焰的點(diǎn)火過(guò)程的深入理解必須要結(jié)合流場(chǎng)內(nèi)詳細(xì)組分分布和速度測(cè)量結(jié)果來(lái)進(jìn)行，而這個(gè)結(jié)論同樣適用于噴霧燃燒問(wèn)題研究，此問(wèn)題對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中(航空)燃?xì)廨啓C(jī)的二次點(diǎn)火至關(guān)重要。以上所述的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果都表明點(diǎn)火成功概率Pign，點(diǎn)火核形成概率，以及可燃因子F有著顯著的差別，并強(qiáng)調(diào)任何用于非預(yù)混火焰燃燒器中點(diǎn)火過(guò)程模擬的數(shù)值模型都必須具有捕捉非均勻混合物中火焰?zhèn)鞑?dòng)態(tài)特性的能力。

5 點(diǎn)火及火焰?zhèn)鞑?shù)值模擬

近年來(lái)，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)被成功用于求解質(zhì)量、動(dòng)量和能量輸運(yùn)方程，一定程度上補(bǔ)充和完善了可燃預(yù)混氣點(diǎn)火和火焰?zhèn)鞑C(jī)理的理論和實(shí)驗(yàn)研究, 縮短了燃燒器的整體設(shè)計(jì)周期。數(shù)值方法和并行計(jì)算技術(shù)的改進(jìn)和進(jìn)步使得均質(zhì)[59]和非均質(zhì)[60]條件下湍流氣態(tài)混合物著火過(guò)程的直接數(shù)值模擬(DNS)成為可能?？紤]到計(jì)算成本的因素，DNS在現(xiàn)階段尚只適用于簡(jiǎn)單火焰的機(jī)理研究，在工程實(shí)際問(wèn)題中的廣泛應(yīng)用還很不現(xiàn)實(shí)。燃燒模型方面，目前國(guó)際上采用各種基于小火焰假設(shè)的燃燒模型對(duì)湍流(局部)預(yù)混燃燒中的標(biāo)量通量和反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了模擬，這些方法包括：增厚小火焰模型(在火焰面處應(yīng)用)；F-TACLES(化學(xué)列表-LES)；小火焰/反應(yīng)進(jìn)度變量(FPV)方法。湍流模型方面，近些年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提升，LES憑借其對(duì)大尺度湍流的強(qiáng)大捕捉能力以及對(duì)高隨機(jī)現(xiàn)象的良好適用性等諸多優(yōu)勢(shì)，在預(yù)測(cè)時(shí)間尺度跨度大、時(shí)間依賴(lài)性高的點(diǎn)火問(wèn)題上有巨大潛力[58],已很好地解析對(duì)火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程影響顯著的大尺度湍流結(jié)構(gòu)。

Boileau等人[61-62]結(jié)合大渦模擬(LES)方法模擬和加厚火焰面模型成功實(shí)現(xiàn)了直升機(jī)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)360°環(huán)形燃燒室內(nèi)點(diǎn)火和火焰?zhèn)鞑サ娜^(guò)程數(shù)值模擬，展示了直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部電火花引起初始高溫氣團(tuán)熱量釋放、液體燃燒受熱氣化、燃燒器點(diǎn)火裝置周?chē)纬煽扇碱A(yù)混氣并在受熱后產(chǎn)生初始火焰、到火焰面從單個(gè)噴嘴出口傳播至其它噴嘴位置，直至整個(gè)燃燒室內(nèi)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)燃燒的全過(guò)程。該數(shù)值計(jì)算采用顯式可壓縮求解器、基于簡(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)的加厚火焰面模型以及模擬液體燃燒噴射的Euler-Euler (EE)模型。通過(guò)恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)后處理，該計(jì)算結(jié)果使我們對(duì)這種復(fù)雜現(xiàn)象中的物理過(guò)程有更多新的理解，例如二維或三維的火焰面?zhèn)鞑ミ^(guò)程，火焰面移動(dòng)前端的拉格朗日軌跡、指定截面或控制體的歐拉特性診斷、燃燒尾氣質(zhì)量平衡計(jì)算與校核、以及火焰面詳細(xì)結(jié)構(gòu)的解析等等。從對(duì)真實(shí)點(diǎn)火及火焰?zhèn)鞑ヮA(yù)測(cè)能力的角度出發(fā)，已有的相關(guān)數(shù)值計(jì)算還需要在以下方面做出改進(jìn)和發(fā)展：考慮噴霧的多分散性、對(duì)液體燃燒使用更加詳細(xì)的蒸發(fā)和化學(xué)反應(yīng)模型、添加湍流與化學(xué)反應(yīng)的相互作用模塊、準(zhǔn)確刻畫(huà)燃燒器燃料注入的真實(shí)環(huán)境和過(guò)程(全旋流幾何結(jié)構(gòu)、冷卻氣膜、多孔表面等)、出口流場(chǎng)邊界條件的影響。除此之外，數(shù)值計(jì)算方法必須具備與簡(jiǎn)單標(biāo)準(zhǔn)燃燒器實(shí)驗(yàn)結(jié)果[19]的對(duì)比和重復(fù)能力，事實(shí)上這類(lèi)對(duì)比反過(guò)來(lái)也非常有助于驗(yàn)證計(jì)算過(guò)程中使用的各類(lèi)子模型。從學(xué)術(shù)角度出發(fā)，燃燒器點(diǎn)火過(guò)程數(shù)值模擬的難點(diǎn)和挑戰(zhàn)在于電火花模型建立、初始點(diǎn)火核產(chǎn)生過(guò)程、以及火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中的湍流-化學(xué)反應(yīng)相互作用。

5.1 電火花模型與點(diǎn)火核形成

由于涉及高溫高壓下、微小空間和短暫時(shí)間內(nèi)的等離子生成問(wèn)題，且在這種極端條件下詳細(xì)燃燒化學(xué)反應(yīng)機(jī)理和經(jīng)典熱化學(xué)關(guān)系都將失效，使得點(diǎn)火核形成的準(zhǔn)確動(dòng)態(tài)模型的建立變得異常困難[63]。在相關(guān)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)電火花的每一次熱量釋放都能在其周?chē)a(chǎn)生高溫氣體核，該高溫氣體核能否產(chǎn)生初始火焰并成功擴(kuò)張是決定整個(gè)燃燒器是否能夠點(diǎn)火成功的關(guān)鍵[19]。當(dāng)前在實(shí)際數(shù)值計(jì)算中廣泛采用的一種簡(jiǎn)化方式是僅僅描述電火花促使初始點(diǎn)火核形成的宏觀效果[15,60,63]。比如，假設(shè)電火花是一個(gè)在時(shí)間和空間上都呈高斯分布的熱源項(xiàng)模型作為簡(jiǎn)單替代[58]。

5.2 火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中的湍流-化學(xué)動(dòng)力學(xué)相互作用

目前湍流點(diǎn)火與燃燒數(shù)值計(jì)算廣泛采用的燃燒模型普遍基于一個(gè)基本假設(shè)：湍流點(diǎn)火過(guò)程中的化學(xué)組分局限于低維流型“very-low-dimensional manifold” ，使得湍流混合與化學(xué)反應(yīng)的耦合關(guān)系可以用少數(shù)幾個(gè)參數(shù)描述，例如混合物的混合分?jǐn)?shù)和/或反應(yīng)進(jìn)度變量。然而在強(qiáng)湍流(例如湍流Borghi機(jī)制圖[65]的thin-reaction-zones and broken-reaction-zones 區(qū)域)條件下，小尺度渦旋可能進(jìn)入火焰內(nèi)部改變其結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致火焰的局部熄火/再燃等極限現(xiàn)象出現(xiàn)的頻率大大增大，利用這些火焰面類(lèi)燃燒模型[66]的計(jì)算結(jié)果往往不盡人意。與之相比，概率密度函數(shù)類(lèi)燃燒模型如輸運(yùn)PDF方法[67-68]在考慮強(qiáng)湍流-化學(xué)反應(yīng)相互作用方面有著獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。輸運(yùn)PDF方法能在沒(méi)有任何假設(shè)的條件下精確地求解有限反應(yīng)速率。這一特性對(duì)預(yù)測(cè)低溫燃燒，有局部熄火/再燃現(xiàn)象的湍流火焰和排放非常重要?；赑DF方法的雷諾平均和大渦模擬已被廣泛、成功地應(yīng)用于非預(yù)混湍流燃燒中研究局部熄火/再燃和污染物生成等復(fù)雜物理過(guò)程[69-76]，涉及的小尺度混合建模、詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)高效應(yīng)用及數(shù)值實(shí)現(xiàn)方面取得了巨大進(jìn)展, 同時(shí)已被應(yīng)用于模擬燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室和往復(fù)式活塞內(nèi)燃機(jī)等發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒過(guò)程[66-69]。

目前為止基于PDF方法的數(shù)值模擬在湍流預(yù)混火焰中的研究還十分有限[70-74]。Lindstedt和Vaos[73]發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有混合模型對(duì)湍流火焰燃燒速度的預(yù)測(cè)有重要的影響作用，并且一些現(xiàn)有模型有著明顯的缺陷。如文獻(xiàn)[72]發(fā)現(xiàn)，在不同燃燒狀態(tài)下將湍流與標(biāo)量的混合時(shí)間比率設(shè)為常數(shù)而和燃燒狀態(tài)無(wú)關(guān)是混合模型中存在的一個(gè)嚴(yán)重不足。最近，Rowinski和Pope采用速度-湍流頻率-成分聯(lián)合概率密度函數(shù)方法模擬了一系列預(yù)混值班火焰[71]，發(fā)現(xiàn)運(yùn)用現(xiàn)有混合模型，反應(yīng)進(jìn)度在不同程度上被高估了。研究得出了和文獻(xiàn)[73]類(lèi)似的結(jié)論：湍流預(yù)混燃燒中反應(yīng)標(biāo)量的小尺度混合過(guò)程同時(shí)受湍流和化學(xué)反應(yīng)的影響，現(xiàn)有標(biāo)量混合將湍流與標(biāo)量的混合時(shí)間比率設(shè)為常數(shù)而和燃燒狀態(tài)無(wú)關(guān)是不合理的。此外，由于燃油噴霧燃燒自身的特殊性，液體氣化燃燒過(guò)程的存在會(huì)使得點(diǎn)火過(guò)程中湍流-化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)相互關(guān)系的研究變得異常困難。

5.3 超聲速燃燒的數(shù)值模擬

超聲速燃燒的概念來(lái)源于超聲速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種燃料在超聲速氣流中混合和燃燒的物理化學(xué)過(guò)程。美國(guó)NASA的LaRC(LangleyResearchCenter)實(shí)驗(yàn)室、我國(guó)的國(guó)防科技大學(xué)航天與材料工程學(xué)院[83]、科學(xué)院力學(xué)所高溫氣體動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室[84]和航空航天部三十一所[85]等研究單位針對(duì)各種類(lèi)型的模型沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的燃燒過(guò)程進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，由于超聲速燃燒室內(nèi)混合、激波、湍流、邊界層等與化學(xué)動(dòng)力學(xué)存在著非常復(fù)雜的相互作用，使得這些實(shí)驗(yàn)研究大都著眼于發(fā)動(dòng)機(jī)性能的量化與提升，工程性較強(qiáng)。此外，受到實(shí)驗(yàn)技術(shù)和測(cè)量技術(shù)的限制，目前尚不能在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究方面對(duì)超聲速燃燒過(guò)程中的點(diǎn)火和火焰穩(wěn)定進(jìn)行很好地描述和刻畫(huà)，使得研究者轉(zhuǎn)向利用數(shù)值模擬對(duì)此過(guò)程進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

目前國(guó)內(nèi)外主要采用各種基于小火焰假設(shè)的燃燒模型對(duì)超聲速燃燒模擬。針對(duì)其局部預(yù)混燃燒特性，Knudsen和Pitsch[86-87]推導(dǎo)了預(yù)混燃燒機(jī)制和擴(kuò)散燃燒機(jī)制對(duì)反應(yīng)進(jìn)度變量C方程源項(xiàng)的貢獻(xiàn)，將燃燒區(qū)域指數(shù)定義為2種燃燒機(jī)制的取值大小之比，并基于此定義了歸一化的加權(quán)系數(shù)，發(fā)展得到了多區(qū)域火焰面模型。Hou等[88]將這種方法應(yīng)用在超聲速燃燒流場(chǎng)中，并對(duì)適用于低速流動(dòng)的火焰面模型引入了超聲速修正算法。

由于在超聲速燃燒條件下化學(xué)反應(yīng)尺度與湍流尺度相當(dāng)且存在局部自點(diǎn)火現(xiàn)象，使得燃燒模擬中采用無(wú)限化學(xué)反應(yīng)速率假設(shè)或局部預(yù)混火焰面模型等解耦流場(chǎng)與化學(xué)反應(yīng)的方法有較大的局限性。超聲速燃燒點(diǎn)火和火焰穩(wěn)定的數(shù)值模擬進(jìn)一步發(fā)展須采用概率密度函數(shù)類(lèi)燃燒模型結(jié)合有限化學(xué)反應(yīng)速率或能同時(shí)刻畫(huà)著火過(guò)程和局部預(yù)混燃燒的自適應(yīng)火焰面模型，使其具備準(zhǔn)確求解湍流混合過(guò)程及局部自點(diǎn)火/著火現(xiàn)象的能力。近年來(lái)，Moule等人[89]、Berglund等人[90]和Miki等人[91]利用大渦模擬(LES)，Koo等人[92]利用直接數(shù)值模擬(DNS)分別對(duì)超聲速射流、超聲速模型燃燒腔等的燃燒過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值方法對(duì)解決超聲速燃燒問(wèn)題的有效性。值得注意的是，已有數(shù)值研究主要針對(duì)氫氣等簡(jiǎn)單燃料的超聲速燃燒過(guò)程，對(duì)實(shí)際超聲速發(fā)動(dòng)機(jī)中的煤油等復(fù)雜碳?xì)浠衔锶剂系娜紵^(guò)程模擬尚較為匱乏，且缺乏燃料裂解過(guò)程的數(shù)值模擬；此外，激波存在下非完全預(yù)混區(qū)域的混合和自點(diǎn)火過(guò)程的模型尚不完善。

6 結(jié) 論

目前國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)湍流下點(diǎn)火及火焰?zhèn)鞑サ膶?shí)驗(yàn)、理論、數(shù)值計(jì)算進(jìn)行了大量研究：在實(shí)驗(yàn)方面，較為系統(tǒng)地研究了電火花點(diǎn)火過(guò)程以及該過(guò)程中湍流場(chǎng)的作用，利用球形火焰系統(tǒng)研究了Darrieus-Landau不穩(wěn)定性與擴(kuò)散-傳熱不穩(wěn)定性的形成過(guò)程及其對(duì)火焰的加速作用，使用本生燈火焰、V型火焰和球形火焰等測(cè)量了不同條件下的預(yù)混氣湍流燃燒速度并分析了燃料類(lèi)型、當(dāng)量比和湍流強(qiáng)度等的影響；在理論方面，初步描述了點(diǎn)火核形成與點(diǎn)火核發(fā)展這2個(gè)點(diǎn)火階段并分析了燃料類(lèi)型、流場(chǎng)拉伸和輻射損失對(duì)點(diǎn)火過(guò)程的影響，成功解釋了火焰不穩(wěn)定現(xiàn)象的形成機(jī)理、產(chǎn)生條件及影響，針對(duì)不同的火焰形態(tài)形成了在一定范圍內(nèi)適用的湍流火焰速度標(biāo)度律。由于點(diǎn)火過(guò)程、湍流-化學(xué)反應(yīng)耦合等本身的復(fù)雜性，現(xiàn)有研究對(duì)湍流環(huán)境對(duì)點(diǎn)火過(guò)程影響、火焰不穩(wěn)定性轉(zhuǎn)捩為湍流可能性等重要問(wèn)題認(rèn)識(shí)尚不全面，已有湍流速度測(cè)量裝置僅針對(duì)特定的火焰形態(tài)、涵蓋的湍流度與環(huán)境壓力范圍有限，適用于不同幾何形態(tài)的統(tǒng)一湍流火焰速度標(biāo)度律尚有待開(kāi)發(fā)，高壓、強(qiáng)湍流下火焰?zhèn)鞑ダ碚撨€很不完善。

在數(shù)值計(jì)算方面，已有研究一定程度上補(bǔ)充和完善了可燃預(yù)混氣點(diǎn)火和火焰?zhèn)鞑C(jī)理的理論和實(shí)驗(yàn)研究,還需在液體霧化、蒸發(fā)、詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、湍流與化學(xué)反應(yīng)等建模方面進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)精度。 湍流模型方面，LES憑借其對(duì)大尺度湍流的強(qiáng)大捕捉能力以及對(duì)高隨機(jī)現(xiàn)象的良好適用性等諸多優(yōu)勢(shì)，在預(yù)測(cè)時(shí)間尺度跨度大、時(shí)間依賴(lài)性高的點(diǎn)火問(wèn)題有巨大潛力，燃燒模型方面，概率密度函數(shù)類(lèi)燃燒模型在考慮強(qiáng)湍流-化學(xué)反應(yīng)相互作用方面有著獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)前研究可燃?xì)恻c(diǎn)火過(guò)程中標(biāo)量小尺度混合、湍流混合和化學(xué)反應(yīng)3個(gè)強(qiáng)耦合物理過(guò)程的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，完善反應(yīng)標(biāo)量小尺度混合模型，可從建模上提升PDF類(lèi)方法對(duì)可燃?xì)恻c(diǎn)火過(guò)程的模擬精度。

[1]GlassmanI,YetterAR.Combustion[M]. 4thed.AcademicPress, 2008.

[2]LawCK.Combustionphysics[M].NewYork:CambridgeUniversityPress, 2006.

[3] 張弛, 林宇震, 徐華勝, 等. 民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)低排放燃燒室技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及水平[J]. 航空學(xué)報(bào), 2014, 35: 332-350.

ZhangChi,LinYuzhen,XuHuasheng,etal.Lowemissioncombustortechnologyofcivilaeroengine[J].ActaAeronauticaetAstronauticaSinica, 2014, 35: 332-350.

[4]LewisBVEG.Flamesandexplosionsofgases[M].NewYork:AcadPress, 1961.

[5]ZeldovichY,BarenblattGI,LibrovichVB,etal.Themathematicaltheoryofcombustionandexplosions[M].NewYork:ConsultantsBureau, 1985.

[6]ChampionMKK,DeshaiesB,JoulinG.Sphericalflameinitiation:Theoryversusexperimentsforleanpropaneairmixtures[J].CombustFlame, 1986, 65: 319-337.

[7]HeL.CriticalconditionsforsphericalflameinitiationinmixtureswithhighLewisnumbers[J].CombustionTheoryandModelling, 2000, 4: 159-172.

[8]ChenZJY.Theoreticalanalysisoftheevolutionfromignitionkerneltoflameballandplanarflame[J].CombustTheorModel, 2007, 4: 159-172.

[9]KelleyAP,JomaasG,LawCK.Criticalradiusforsustainedpropagationofspark-ignitedsphericalflames[J].CombustFlame, 2009, 156: 1006-1013.

[10]CanepaEZP,DiMartinoP,FormosaP,etal.Power,Unsteadyaerodynamicsofanaeroenginedoubleswirlerleanpremixingprevaporizingburner[J].JournalofEngineeringforGasTurbinesandPower, 2006, 128: 29-39.

[11]AllouisCAA,BerettaF.Experimentalstudyofleanpremixedprevaporizedcombustionfluctuationsinagasturbineburner[J].CombustSciTechnol, 2008, 180: 900-909.

[12]LipatnikovAN,ChomiakJ.Effectsofpremixedflamesonturbulenceandturbulentscalartransport[J].ProgEnergyCombustSci, 2010, 36(1): 1-102.

[13]BallalDR,LefebvreAH.Theinfluenceofflowparametersonminimumignitionenergyandquenchingdistance[C]//Symposium(International)onCombustion, 1975, 15(1): 1473-1481.

[14]BallalDR,LefebvreAH.Ignitionandflamequenchinginflowinggaseousmixtures[J].ProceedingsoftheRoyalSocietyA:Mathematical,PhysicalandEngineeringSciences, 1977, 357(1689): 163-181.

[15]KaminskiCF,HultJ,AldénM,etal.Sparkignitionofturbulentmethane/airmixturesrevealedbytime-resolvedplanarlaser-inducedfluorescenceanddirectnumericalsimulations[C]//ProceedingsoftheCombustionInstitute, 2000, 28(1): 399-405.

[16]FuWB,HouLY,WangLP,etal.Astudyonignitioncharacteristicsofemulsifiedoilcontainingflammablefuel[J].FuelProcessTechnol, 2003, 80(1): 9-21.

[17]BradleyD,SheppardCGW,SuardjajaIM,etal.Fundamentalsofhigh-energysparkignitionwithlasers[J].CombustFlame, 2004, 138(1-2): 55-77.

[18]AkindeleOO,BradleyD,MakPW,etal.Sparkignitionofturbulentgases[J].CombustionandFlame, 1982, 47: 129-155.

[19]AhmedSF,BalachandranR,MastorakosE.Measurementsofignitionprobabilityinturbulentnon-premixedcounterflowflames[J].ProcCombustInst, 2007, 31I: 1507-1513.

[20]AhmedSF,MastorakosE.Sparkignitionofliftedturbulentjetflames[J].CombustFlame, 2006, 146(1): 215-231.

[21]ShySS,ChenYC,YangCH,etal.EffectsofH2orCO2addition,equivalenceratio,andturbulentstrainingonturbulentburningvelocitiesforleanpremixedmethanecombustion[J].CombustFlame, 2008, 153(4): 510-524.

[22]ShySS,LiuCC,ShihWT.Ignitiontransitioninturbulentpremixedcombustion[J].CombustFlame, 2010, 157: 341-350.

[23]HouLY,GongJS,LuXF.Conversionofemulsifiedkeroseneinagasgeneratorwithcatalyticreforming[J].CombustionScienceandTechnology, 2010, 182(10): 1478-1490.

[24]CardinC,RenouB,CabotG,etal.Experimentalanalysisoflaser-inducedsparkignitionofleanturbulentpremixedflames:Newinsightintoignitiontransition[J].CombustFlame, 2013, 160: 1414-1427.

[25]WuF,SahaA,ChaudhuriS,etal.Facilitatedignitioninturbulencethroughdifferentialdiffusion[J].PhysRevLett, 2014, 113(2): 024503.

[26]RenZ,YangH,LuT.Effectsofsmall-scaleturbulenceonNOxformationinpremixedflamefronts[J].Fuel, 2014, 115: 241-247.

[27]VenkateswaranP,MarshallA,ShinDH,etal.MeasurementsandanalysisofturbulentconsumptionspeedsofH2/COmixtures[J].CombustFlame, 2011, 158(8): 1602-1614.

[28]SmithKO,GouldinFC.Turbulenceeffectsonflamespeedandflamestructure[J].AIAAJ, 1979, 17: 1243-1250.

[29]LawnCJ,ScheferRW.Scalingofpremixedturbulentflamesinthecorrugatedregime[J].CombustFlame, 2006, 146: 180-199.

[30]WangJ,HuangZ,TangC,etal.Effectofhydrogenadditiononearlyflamegrowthofleanburnnaturalgas-airmixtures[J].InternationalJournalofHydrogenEnergy, 2010, 35(13): 7246-7252.

[31]WangJ,HuangZ,MiaoH,etal.Studyofcyclicvariationsofdirect-injectioncombustionfueledwithnaturalgas-hydrogenblendsusingaconstantvolumevessel[J].IntJHydrogenEnergy, 2008, 33(24): 7580-7591.

[32]BradleyD,LawesM,MansourMS.Correlationofturbulentburningvelocitiesofethanol-air,measuredinafan-stirredbombupto1.2MPa[J].CombustFlame, 2011, 158(1): 123-138.

[33]DriscollJF.Turbulentpremixedcombustion:Flameletstructureanditseffectonturbulentburningvelocities[J].ProgressinEnergyandCombustionScience, 2008, 34: 91-134.

[34]PopeSB.Smallscales,manyspeciesandthemanifoldchallengesofturbulentcombustionp[J].ProcCombustInst, 2013, 34: 1-31.

[35]ChaudhuriS,WuF,LawCK.ScalingofturbulentflamespeedforexpandingflameswithMarksteindiffusionconsiderations[J].PhysRevE, 2013, 88(3): 033005.

[36]ChaudhuriS,WuF,ZhuD,etal.Flamespeedandself-similarpropagationofexpandingturbulentpremixedflames[J].PhysRevLett, 2012, 108(4): 044503.

[37]ChaudhuriS.Lifeofflameparticlesembeddedinpremixedflamesinteractingwithnearisotropicturbulence[J].ProcCombustInst, 2015, 35(2): 1305-1312.

[38]DarrieusG.Propagationd’unfrontdeflamme[C].LaTechModFr, 1938.

[39]BychkovV,PetchenkoA,AkkermanV.Onthetheoryofturbulentflamevelocity[J].CombustSciTechnol, 2007, 179(1-2): 137-151.

[40]MarksteinG.Experimentalandtheoreticalstudiesofflame-frontstability[J].JAeronautSci, 1951, 18: 199-209.

[41]SivashinskyGI.Somedevelopmentsinpremixedcombustionmodeling[J].ProceedingsoftheCombustionInstitute, 2002, 29: 1737-1761.

[42]WilliamsFA.Combustiontheory:thefundamentaltheoryofchemicallyreactingflowsystems[M]. 2nded.MenloPark,Calif:Benjamin/CummingsPubCo, 1985.

[43]BechtoldJK,MatalonM.Hydrodynamicanddiffusioneffectsonthestabilityofsphericallyexpandingflames[J].CombustionandFlame, 1987, 67: 77-90.

[44]BradleyD,SheppardCGW,WoolleyR,etal.Thedevelopmentandstructureofflameinstabilitiesandcellularityatlowmarksteinnumbersinexplosions[J].CombustFlame, 2000, 122: 195-209.

[45]HaqMZ.Correlationsfortheonsetofinstabilitiesofsphericallaminarpremixedflames[J].JournalofHeatTransfer, 2005, 127(12): 1410.

[46]LawCK,JomaasG,BechtoldJK,etal.Cellularinstabilitiesofexpandinghydrogen/propanesphericalflamesatelevatedpressures:Theoryandexperiment[J].ProcCombustInst, 2005, 30I: 159-167.

[47]BradleyD,CresswellTM,PuttockJS.Flameaccelerationduetoflame-inducedinstabilitiesinlarge-scaleexplosions[J].CombustFlame, 2001, 124: 551-559.

[48]WuF,JomaasG,LawCK.Anexperimentalinvestigationonself-accelerationofcellularsphericalflames[J].ProcCombustInst, 2013, 34: 937-945.

[49]BallalDR,LefebvreAH.Theinfluenceofsparkdischargecharacteristicsonminimumignitionenergyinflowinggases[J].CombustionandFlame, 1975, 24: 99-108.

[50]BallalD,LefebvreAH.Ignitionofliquidfuelspraysatsubatmosphericpressures[J].CombustionandFlame, 1978, 31: 115-126.

[51]BallalDR,LefebvreAH.Ageneralmodelofsparkignitionforgaseousandliquidfuel-airmixtures[J].SympCombust, 1981, 18(1): 1737-1746.

[52]RaoKVL,LefebvreAH.Evaporationcharacteristicsofkerosinespraysinjectedintoaflowingairstream[J].CombustionandFlame, 1976, 26: 303-309.

[53]BradleyD,LungFKK.Sparkignitionandtheearlystagesofturbulentflamepropagation[J].CombustFlame, 1987, 69(1): 71-93.

[54]BirchAD,BrownDR,DodsonMG.Ignitionprobabilitiesinturbulentmixingflows[J].SympCombust, 1981, 18(1): 1775-1780.

[55]SmithMTE,BirchAD,BrownDR,etal.Studiesofignitionandflamepropagationinturbulentjetsofnaturalgas,propaneandagaswithahighhydrogencontent[J].SympCombust, 1988, 821(1): 1403-1408.

[56]AlvaniRE,FairweatherM.Ignitioncharacteristicsofturbulentjetflow[J].TransIChemE, 2002, 80: 917-923.

[57]RichardsonES,ChakrabortyN,MastorakosE.Analysisofdirectnumericalsimulationsofignitionfrontsinturbulentnon-premixedflamesinthecontextofconditionalmomentclosure[J].ProcCombustInst, 2007, 31I: 1683-1690.

[58]SubramanianV,DomingoP,VervischL.Largeeddysimulationofforcedignitionofanannularbluff-bodyburner[J].CombustFlame, 2010, 157(3): 579-601.

[59]KleinM,ChakrabortyN,CantRS.Effectsofturbulenceonself-sustainedcombustioninpremixedflamekernels:Adirectnumericaldimulation(DNS)study[J].FlowTurbulCombust, 2008, 81(4): 583-607.

[60]ChakrabortyN,MastorakosE,CantRS.Effectsofturbulenceonsparkignitionininhomogeneousmixtures:ATION(DNS)study[J].CombustionScienceandTechnology, 2007, 179(1-2): 293-317.

[61]BoileauM,PascaudS,RiberE,etal.Investigationoftwo-fluidmethodsforlargeeddysimulationofspraycombustioningasturbines[J].FlowTurbulCombust, 2008, 80(3): 291-321.

[62]BoileauM,StaffelbachG,CuenotB,etal.LESofanignitionsequenceinagasturbineengine[J].CombustFlame, 2008, 154(1-2): 2-22.

[63]ThieleMMU,SelleS,RiedelU,etal.Numericalsimulationofsparkignitionincludingionization[J].ProcCombustInst, 2000, 28: 1177-1185.

[64]HesseH,ChakrabortyfjN,MastorakosE.TheeffectsoftheLewisnumberofthefuelonthedisplacementspeedofedgeflamesinignitingturbulentmixinglayers[J].ProcCombustInst, 2009, 32I: 1399-1407.

[65]BorghiR.Turbulentcombustionmodelling[J].ProgressinEnergyandCombustionScience, 1988, 14(4): 245-292.

[66]IhmeM,PitschH.Predictionofextinctionandreignitioninnonpremixedturbulentflamesusingaflamelet/progressvariablemodel: 1.AprioristudyandpresumedPDFclosure[J].CombustFlame, 2008, 155(1-2): 70-89.

[67]PopeSB.PDFmethodsforturbulentreactiveflows[J].ProgEnergyCombustSci, 1985, 11(2): 119-192.

[68]HaworthDC.Progressinprobabilitydensityfunctionmethodsforturbulentreactingflows[J].ProgressinEnergyandCombustionScience, 2010, 36(2): 168-259.

[69]RenZ,PopeSB.Aninvestigationoftheperformanceofturbulentmixingmodels[J].CombustFlame, 2004, 136(1-2): 208-216.

[70]RenZ,PopeSB.SensitivitycalculationsinPDFmodellingofturbulentflames[J].ProcCombustInst, 2009, 32I: 1629-1637.

[71]RowinskiDH,PopeSB.PDFcalculationsofpilotedpremixedjetflames[J].CombustionTheoryandModelling, 2011, 15(2): 245-266.

[72]St?llingerM,HeinzS.EvaluationofscalarmixingandtimescalemodelsinPDFsimulationsofaturbulentpremixedflame[J].CombustFlame, 2010, 157(9): 1671-1685.

[73]LindstedtRP,VaosEM.TransportedPDFmodelingofhigh-Reynolds-numberpremixedturbulentflames[J].CombustFlame, 2006, 145(3): 495-511.

[74]SheikhiMRH,DrozdaTG,GiviP,etal.Largeeddysimulationofaturbulentnonpremixedpilotedmethanejetflame(SandiaFlameD)[J].ProcCombustInst, 2005, 30I: 549-556.

[75] 鄭楚光, 周向陽(yáng). 湍流反應(yīng)流的PDF模擬[M]. 武漢: 華中科技大學(xué)出版社, 2005.

ZhengChuguang,ZhouXiangyang.PDFmodelofturbulentreactiveflows[M].Wuhan:HuazhongUniversityofScienceandTechnologyPress, 2005.

[76] 李藝, 黃鷹. 考慮化學(xué)反應(yīng)的標(biāo)量耗散率及其在PDF小尺度混合模型中的應(yīng)用[J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù), 1999, 20: 261-264.

LiYi,HangYing.ThestudyofscalardissipationratewithreactionanditsapplicationinmolecularmixingmodelinPDFequation[J].JournalofCombustionScienceandTechnology, 1999, 20: 261-264.

[77]BrayKNC.Theinteractionbetweenturbulenceandcombustion[J].SympCombust, 1979, 17(1): 223-233.

[78]LibbyPA,BrayKNC.Implicationofthelaminarflameletmodelinpremixedturbulentcombustion[J].CombustionandFlame, 1980, 39(1): 33-41.

[79]LindstedtR,VaosE.Modelingofmixingprocessesinnon-isothermalandcombustingflows[J].AdvTurbulVIII, 2000: 493-496.

[80]HulekT,LindstedtRP.Computationsofsteady-stateandtransientpremixedturbulentflamesusingpdfmethods[J].CombustionandFlame, 1996, 104(4): 481-504.

[81]LibbyPA,BrayKNC.Implicationsofthelaminarflameletmodelinpremixedturbulentcombustion[J].CombustionandFlame, 1980, 39(1): 33-41.

[82]BrayK,ChampionM,LibbyPA,etal.Scalardissipationandmeanreactionratesinpremixedturbulentcombustion[J].CombustFlame, 2011, 158(10): 2017-2022.

[83] 余勇, 丁猛, 劉衛(wèi)東, 等. 煤油超聲速燃燒的試驗(yàn)研究[J]. 國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 26(1): 1-4.

YuYong,DingMeng,LiuWeidong,etal.Experimentalstudyofsupersoniccombustionofkerosene[J].JournalofNationalUniversityDefenseTechnology, 2004, 26(1): 1-4

[84] 俞剛, 范學(xué)軍. 超聲速燃燒與高超聲速推進(jìn)[J]. 力學(xué)進(jìn)展, 2013, 43(5): 499-471.

YuYong,DingMeng,LiuWeidong,etal.Experimentalstudyofsupersoniccombustionofkerosene[J].JournalofNationalUniversityDefenseTechnology, 2004, 26(1): 1-4

[85] 劉興洲, 劉敬華, 王裕人, 等. 超聲速燃燒實(shí)驗(yàn)研究[J]. 推進(jìn)技術(shù), 1991, 2: 1-8.

LiuXingzhou,LiuJinghua,WangYuren,etal.Experimentalinvestigationonsupersoniccombustion[J].JournalofPropulsionTechnology, 1991, 2: 1-8

[86]KnudsenE,PitschH.Ageneralflamelettransformationusefulfordistinguishingbetweenpremixedandnon-premixedmodesofcombustion[J].CombustFlame, 2009, 156(3): 678-696.

[87]KnudsenE,PitschH.Capabilitiesandlimitationsofmulti-regimeflameletcombustionmodels[J].CombustFlame, 2012, 159(1): 242-264.

[88]HouL,NiuD,RenZ.Partiallypremixedflameletmodelinginahydrogen-fueledsupersoniccombustor[J].IntJHydrogenEnergy, 2014, 39(17): 9497-9504.

[89]MouleY,SabelnikovV,MuraA.Highlyresolvednumericalsimulationofcombustioninsupersonichydrogen-aircoflowingjets[J].CombustFlame, 2014, 56: 9-15.

[90]BerglundM,FurebyC.LESofsupersoniccombustioninascramjetenginemodel[J].ProcCombustInst, 2007, 31II: 2497-2504.

[91]MikiK,SchulzJ,MenonS.Large-eddysimulationofequilibriumplasma-assistedcombustioninsupersonicflow[J].ProcCombustInst, 2009, 32II: 2413-2420.

[92]KooH,RamanV,VarghesePL.Directnumericalsimulationofsupersoniccombustionwiththermalnonequilibrium[J].ProcCombustInst, 2015, 35(2): 2145-2153.

(編輯：李金勇)

Research progress on ignition and flame propagation in highly turbulent flows

Li Minglei1, Wu Ning1, Hou Lingyun2, Ren Zhuyin1,2,*

(1. Center for Combustion Energy, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. School of Aerospace Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

The ignition and flame propagation of premixed mixture are commonly recognized as the key processes for reliable engine operations. Spark ignition, the most common ignition mode in engine combustion, effectively converts the electrical energy into a small heat deposit with the formation of radicals. The ignition process is constituted of two main phases, that are the ignition kernel formation and the kernel propagation. The forced ignition phenomena observed are highly transient in nature with various factors influencing the development of spark kernels from the moment of spark deposit until complete flame establishment. The most favorable ignition spots for sparking in engine combustors are influenced not just by the local equivalence ratio, but also by the time history of the velocity fluctuations, which would transport the flame kernel away from the ignition spot. To date, some fundamental physico-chemical processes of the ignition process are still unclear in highly turbulent flows which are commonly found under engine operating conditions. The problems urgent to be studied include the turbulence promotion/suppression mechanism for the ignition process, the effect of turbulence on flame propagation and the scaling law for turbulent flame speed over a wide range of pressures and turbulent intensity, the effect of heat release and flame instability on turbulent fluctuating velocity (e.g., the flame generated turbulence) and flame propagation, the transition from a laminar flame to a turbulent flame resulting from propagation acceleration due to flame instability, and the effect of combustion process on the transport of reactive scalars. In this paper, recent theoretical, experimental and numerical studies of the ignition and flame propagation in turbulent flows are reviewed together with discussions on the spark ignition in turbulent nonpremixed flames and the challenges for high-fidelity simulations of the ignition process. The needs of experimental techniques and turbulent combustion modelling for the study of the ignition process in highly turbulent flows especially under engine operating condition are also discussed.

premixed flame;flame ignition;flame propagation;turbulence;flame instability

1672-9897(2015)04-0001-11

10.11729/syltlx20150060

2015-04-17;

2015-05-22

國(guó)家自然科學(xué)基金資助(91441202)

LiML,WuN,HouLY,etal.Researchprogressonignitionandflamepropagationinhighlyturbulentflows.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2015, 29(4): 1-11. 李明磊, 吳寧, 侯凌云, 等. 強(qiáng)湍流下點(diǎn)火及火焰?zhèn)鞑C(jī)理研究進(jìn)展. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2015, 29(4): 1-11.

V231.2

A

李明磊(1988-)，男，河南鄭州人，博士研究生。研究方向：湍流下可燃?xì)恻c(diǎn)火與火焰?zhèn)鞑ヌ匦裕屠字Z數(shù)液滴、射流碰撞動(dòng)力學(xué)特性。通信地址：清華大學(xué)蒙民偉科技大樓南樓625(100084)。E-mail: liml11@mails.tsinghua.edu.cn

*通信作者 E-mail: zhuyinren@tsinghua.edu.cn