等离子体气动效应对燃烧室流场的影响

等离子体气动效应对燃烧室流场的影响

0气体放电与气动激励建模离子助燃是航空运动领域的一项新技术。通过气体放电，形成一个局部均匀的、具有化学活性成分的离子气体，并产生化学和气动双重影响，以增强离子及其附近地区的燃烧状态。美国、俄罗斯、英国、法国、日本等国家的研究机构在国家或军队资助下进行了等离子体助燃化学效应广泛的研究[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11],但对等离子体助燃在气动效应方面的研究较少。等离子体气动效应是通过带电粒子在空间电场作用下定向运动和等离子体的不稳定性,向燃烧室流场中的中性气体粒子传递动量和能量而形成的“粒子的集体运动行为”,其中电场力起主要作用。KlimovA等研究表明气体放电等离子体可形成声波和紊流,扰动接触混合面,促进丙烷与空气混和,增加空气流场紊流度。AFAleksandrov等实验表明等离子体助燃气体放电可以影响燃烧室流场压力和温度的分布特性,认为这是由于带电粒子受电场力而产生的等离子体旋涡和紊流。现在常用的等离子体气动激励建模仿真方法有以下4种:基于唯象学描述的仿真方法、基于集总电路模型描述的电特性仿真方法、基于物理原理的耦合求解等离子体-流体方程组仿真方法以及粒子群-蒙特卡罗模拟方法。唯象学仿真法通过求解低温等离子体的基本方程,如电势方程、电荷方程来建模;集总电路方法把离子体气动激励器描述为一个电路模型,然后通过求解电路模型建模;基于物理原理仿真法通过耦合求解等离子体的电子、离子连续方程、Maxwell方程和Navier-Stokes方程(简写为N-S方程)来描述等离子体气动激励的物理本质;而粒子群-蒙特卡罗模拟方法通过考虑带电粒子和中性气体粒子之间的动量和能量的传递来建模。目前国际上对流动控制中等离子体气动效应的物理机制已开展了一些数值模拟工作:将等离子体电流体动力的平均体力模型与三维可压缩N-S方程耦合求解;用PIC-DSMC方法,研究等离子体的组成和动量传递;文献[21-23]通过求解电荷密度方程,将体力引入N-S方程求解。但是尚很少见对等离子体助燃中等离子体气动效应进行的建模仿真,经常采取的研究方法是通过等离子体助燃实验中流场紊流度和燃料空气混合物的混合均匀程度对实验环境下等离子体气动效应进行定性的说明。本文利用唯象学仿真法通过求解介质阻挡放电等离子体的电势方程和电荷密度方程,建立燃烧室助燃激励器等离子体气动效应的数值仿真模型,对等离子体气动效应诱导燃烧室空气流动进行了数值模拟,研究在不同激励电压、进口流速和电荷密度条件下等离子体气动效应对燃烧室流场特性的影响,有助于揭示等离子体助燃过程中气动效应的物理本质,优化等离子体助燃激励器,为等离子体助燃的实际应用奠定基础。1等温气候效果的物理模型1.1带电粒子和空气电极等离子体气动效应影响燃烧室流场的原理是:通过设置于燃烧室上下两侧电极间的强电场将燃烧室中的气流电离,并使等离子体在洛伦兹力作用下沿电场梯度方向进行定向运动,带电粒子在运动过程中与燃烧室中的中性气体分子碰撞,发生动量交换,诱导燃烧室内空气根据电场强度分布定向流动,改变燃烧室内的速度分布特性,产生旋涡使其紊流化,从而增加燃烧室内的紊流度,起到增强燃料空气混合、扩大火焰稳定区域的作用。介质阻挡放电等离子体气动激励器的布局形式如图1所示,图中,等离子体激励器上下表面的电极宽0.005m,与高频高压电源相连接,介质层相对介电常数为2.2,厚0.001m,间距0.02m,燃烧室长0.07m,火焰稳定器直径0.01m。1.2自由空间电势密度对于介质阻挡放电,在忽略磁场力的假设下,单位体积的电场力F可表示为式中,ρc是净电荷密度;E是电场强度,在等离子体作用下的流场计算中,磁场变化的非定常性通常可以忽略,这样Maxwell方程可表示为:ue065×E≈0。电场强度可由标量电势的梯度求出,即由高斯定律得联立式(2)、(3)可得式中,ε为介电常数,可表示为εr为是介质相对介电常数,ε0为自由空间的介电常数,为8.854×10-12C2/(N·m2)。电势由两部分组成,即外加电场产生的电势Φ1和等离子体中带电粒子产生的电势Φ2,故有假定德拜厚度(等离子体中电荷的电场所能作用的距离)很小,而且壁面上的电荷密度不大,这样计算域中的电荷分布可由壁面上的电荷分布求出,而受外加电场的影响很小。外加电场产生电势的偏微分方程为等离子体中带电粒子产生的电势偏微分方程为等离子体中任意一点的空间电荷密度为式中,e为元电荷,为1.6022×10-19C;ni为粒子数密度;ne为电子数密度;n0为中性粒子密度;k为玻耳兹曼常数,为1.3807×10-23J/K;Ti为离子温度,K;Te为电子温度,K。将式(9)中的指数函数按泰勒级数展开得引入等离子体的特征厚度,即德拜厚度λd,它由等离子体的密度和粒子温度决定,可表示为联立式(9)、(10)得联立式(11)、(12),得电荷密度的偏微分方程为即联立式(10)、(14)得通过求解偏微分方程式(7)、(15)可求出电势和电荷密度分布,则等离子体气动激励产生的电场力1.3u3000力分布函数采用有限体积法离散化计算区域,利用式(16)得到的电场力分布函数,并进行归一化处理,得到单个计算网格的坐标信息。根据坐标和归一化的电场力分布函数,求出每个网格单元处的动量项,然后通过相关变换将动量项转化成源项形式,最后与Navier-Stokes方程耦合求解。将动量源项加入动量方程,x方向的动量守恒方程为y方向的动量守恒方程为式中,ρ为气流密度;u为气流速度数值;u为气流速度矢量;p为压力;Fx为x方向的电场力;Fy为y方向的电场力。求解带源项的Navier-Stokes动量、能量和质量守恒方程即可得出等离子体气动效应对流场特性的影响。2计算与分析2.1u3000正常流动与等离子体气动效应的对比采用CFD软件求解Navier-Stokes方程,通过C++编程实现式(17)、(18)中对动量项的处理,计算中不考虑电场的加热作用,由于温度和压力变化不大,认为计算中流体不可压缩。计算区域面积为0.02m×0.07m,激励器宽0.005m,电极厚度忽略不计。边界条件设置:燃烧室入口给定气流速度1~10m/s、出口压强为0.1MPa、激励器电压10~60kV,频率1kHz,激励器电极之间的电荷密度为0.01~0.06C/m3,上、下边界为壁面。在燃烧室进口流速为5m/s,激励电压为30kV、1kHz中频高压交流输出,激励器电极之间的电荷密度为0.02C/m3时,燃烧室内的速度场和轴向速度分布如图2和图3所示。由图2可知,正常流动和等离子体气动效应下的燃烧室速度分布符合圆柱绕流流场分布,两者在燃烧室内的速度分布相似,但在气体放电强电场作用下,燃烧室流场受气动效应诱导的影响,紊流度增大,具体表现为:圆柱火焰稳定器前出现局部高速区,壁面附近出现附面层分离;圆柱火焰稳定器后速度分布不均匀,这是由于带电粒子在强电场的作用下与燃烧室内的中性气流碰撞,产生动量交换,导致气流紊流度增大,但在经过火焰稳定器后距离高压电场较远,电场体积力较小,而且圆柱火焰稳定器有一定的整流作用,从而导致流场紊流度下降,气流分离消失,表现为速度不均匀或扰动。图3为正常流动与等离子体气动效应下的燃烧室轴向速度对比图,两者的轴向速度变化趋势相似,但在放电条件下,受等离子体气动效应的影响,在经过火焰稳定器前后速度不均匀,振荡幅度较大。相对于火焰稳定器后,火焰稳定器前的燃烧室轴向速度与正常流动之间的差距较大,而且火焰稳定器后的轴向速度沿正常流动时燃烧室的轴向速度上下振动,这是由于火焰稳定器后的电场体积力较小,所以与正常流动之间的差距较小,但由于激励器电极两端电压为交流电,导致电场体积力不断换向,带电粒子的运动方向和所传递动量的方向不断转变,火焰稳定器后的轴向速度也随之振荡。2.2电极两端激励电压作用下火焰稳定器前后测试对比图4为燃烧室进口流速为5m/s,激励电压为10~60kV,激励器电极之间电荷密度为0.01C/m3时等离子体气动效应下的轴向速度对比图。由图4可知,在不同激励电压的等离子体气动效应作用下,燃烧室轴向速度分布相似,火焰稳定器前后都出现了速度振荡,但随着电极两端激励电压的升高,燃烧室轴向速度振荡幅度增大,在火焰稳定器前表现为振荡并加速偏离正常值,在火焰稳定器后表现为振荡幅值增大。这是由于随着激励电压的增大,电极间的电场强度增大,带电粒子的电场体积力增大,对流场的动量传递增加,导致轴向速度的振荡幅度增大。2.3子体气动效应影响图5为燃烧室进口流速为1~10m/s,激励电压为30kV,激励器电极之间的电荷密度为0.02C/m3时等离子体气动效应下的轴向速度对比图。由图5可知,在不同进口流速条件下,燃烧室流场分布相似,等离子体气动效应对流场的影响仍然表现为流场速度的振荡,但是随着进口流速的增加,等离子体气动效应的影响不断减小,在10m/s时几乎没有影响。这是由于进口流速较大时,带电粒子所受到的电场体积力对流场的影响较小,不能对流场形成更大的影响。2.4等离子体气动效应对燃烧流场的影响图6为燃烧室进口流速为5m/s,激励电压为30kV,激励器电极之间的电荷密度为0.01~0.06C/m3时等离子体气动效应下的轴向速度对比图。由图6可知,不同电荷密度下,等离子体气动效应对燃烧室流场的影响不同。随着电荷密度的增加,火焰稳定器前后燃烧室流场轴向速度的振荡不断加剧,特别是火焰稳定器前,振荡的幅度增加更快,但火焰稳定器后的流场由于圆柱的整流作用,所受的影响较小。在电荷密度为0.06C/m3时,火焰稳定器前的流场已不能维持稳定。振荡加剧的原因是由于随电荷密度的增加,传递到流场中动量增大,而且由于带电粒子的运动随机性,传递到流场中的动量不一致,导致燃烧室流场遭到破坏。3激励电压不适宜,燃烧轴向速度振荡本文研究了不同激励电压、进口流速和电荷密度