| Issue |
JNWPU
Volume 44, Number 1, February 2026
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|---|---|---|
| Page(s) | 36 - 45 | |
| DOI | https://doi.org/10.1051/jnwpu/20264410036 | |
| Published online | 27 April 2026 | |
Effects of gliding arc plasma on ignition and extinction flame evolution in combustors under low pressure conditions
低气压条件下滑动弧等离子体对燃烧室点熄火特性的影响
1
Mechanical and Electrical Engineering College, Xi'an Polytechnic University, Xi'an 710600, China
2
National Key Lab of Aerospace Power System and Plasma Technology, School of Mechanical Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China
3
National Key Lab of Aerospace Power System and Plasma Technology, School of Aviation Engineering, Air Force Engineering University, Xi'an 710038, China
4
School of Aerospace Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China
5
School of Aero-Engine, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136, China
Received:
7
May
2025
Abstract
To address the issues of ignition and flame extinction in the combustion chamber of a small turbine engine under high-altitude and low-pressure conditions, a gliding arc plasma-assisted ignition and combustion dome was integrated into the combustor. Based on a low-pressure combustion test platform, experiments were conducted to characterize low-pressure discharge dynamics, ignition performance, and flame extinction performance. Systematic comparisons were performed on discharge characteristics, flame evolution processes, and lean-blowout boundaries across varying pressures. Results show that at 80 kPa and 300 L/min, the plasma-assisted ignition and combustion dome exhibited reduced electrical parameters: peak-to-peak voltage decreased to 2 kV, maximum peak voltage to 5 kV, and discharge cycle to 2.2 ms, average discharge power increases to 137 W (90 kPa) and then decreases to 111.6 W(75 kPa) comparing with that via atmospheric operation. Gliding arc plasma significantly broadened the ignition and flameout limits, achieving a 13.5% expansion in ignition limits and a 40.4% reduction in ignition delay time relative to conventional spark ignition. Furthermore, at 90 kPa, the flameout limit was extended by 16.4%. The present study provides the critical insights into plasma-assisted ignition and combustion mechanisms under low-pressure conditions, advancing the design of reliable combustion systems for high-altitude aerospace applications.
摘要
针对高空低气压环境下, 小型涡扇发动机燃烧室面临的点火及熄火等问题, 基于一款小型涡扇发动机滑动弧等离子体点火助燃头部, 依托低压基础燃烧实验平台, 开展了低气压放电、点火和熄火实验。着重对比分析了不同空气压力下点火助燃头部放电特性、燃烧室点火、熄火火焰演化过程及边界等影响规律。结果表明: 在80 kPa、300 L/min条件下, 相较于常压点火助燃头部电压峰-峰值、最大峰-峰值电压与周期分别减小至2 kV, 5 kV和2.2 ms, 平均放电功率先增大至137 W(90 kPa)而后减小至111.6 W(75 kPa); 施加等离子体激励可以显著拓宽点熄火边界, 缩短点火延迟时间。相较于常规电火花点火, 点火边界拓宽13.5%, 点火延迟时间缩短40.4%。在90 kPa条件下其熄火边界相较于常规熄火拓宽16.4%。
Key words: gliding arc plasma / plasma-assisted ignition and combustion / low-pressure discharge / low-pressure ignition and flameout / ignition and flameout limits
关键字 : 滑动弧等离子体 / 等离子体点火助燃 / 低气压放电 / 低气压点火与熄火 / 点熄火边界
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随着无人机的任务范围由传统的短航时任务向高空长航时领域的快速拓展，其搭载的小型涡扇发动机燃烧室低气压环境下点火难度大[1-2]、稳定燃烧范围变小[3-4]等问题变得更加突出，亟需通过技术创新提升燃烧室的点火能力和燃烧稳定性[5-7]。非平衡态等离子体点火助燃技术作为一种新型的主动燃烧调控技术，其在工程应用研究方面取得了显著进展[8-10]。尤其是在低气压环境下，该技术能够显著改善燃烧室点火和火焰稳定性。这些潜在优势[11-12]使得此技术受到燃烧领域的高度关注。
Lin等[13]对丙烷-空气混合气开展了电火花点火器和多通道等离子体点火器在低气压下的点火实验研究，实验表明滑动弧等离子体点火能够促进初始火核形成并明显提高点火成功率。Jia等[14-15]研制了等离子体射流点火器及多通道等离子体点火器，并在模型燃烧室的基础上模拟低气压实验，结果表明，施加等离子体激励后，在不同空气压力工况下均可显著拓宽燃烧室点火及贫燃边界。
等离子体点火助燃技术能够改善燃油雾化效果，增强火焰稳定性，拓宽点熄火边界，进而使燃料在更极端条件下实现稳定燃烧和可靠点火[16]。目前现有研究主要集中在常压条件下的等离子体激励特性、点火助燃机理以及开发新型等离子体激励器等方向[1]。但在极端环境下，尤其是低气压条件下，滑动弧等离子体头部结构的设计、放电激励特性以及燃烧室点火、熄火火焰演化的研究较少。因此本文基于一种面向小型涡扇发动机燃烧室的滑动弧等离子体点火助燃头部[17]，搭建了低气压基础燃烧室实验平台，探究不同空气压力对点火助燃头部放电特性、燃烧室点火、熄火火焰演化过程及边界等影响规律。西北工业大学学报第44卷第1期王珏, 等：低气压条件下滑动弧等离子体对燃烧室点熄火特性的影响
1 实验装置及测量方法
1.1 低气压放电及燃烧实验平台
低气压放电及燃烧实验平台结构示意图如图 1a)所示，实验平台主要包括气源系统、总控制系统、基础燃烧室、测量系统、排气系统等。利用1台空气压缩机(BK15-8，2 400 L/min，0.8 MPa)供气，经稳压罐、冷干机处理后，流入实验段。控制系统控制电动流量调节阀(ZDLP-16)和内锥流量计(DYNC，流量量程0~2 000 L/min，工作压差范围0.25~0.5 MPa)以调节入口气流参数。采用压力式供油系统，配合高精度燃油流量计(PROMASS A，精度0.15级)进行燃油流量参数的调节。
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图1 低气压放电及燃烧实验平台结构示意图 |
气流经冷干机进入基础实验平台后，与实验平台出口相连的真空泵为实验平台提供负压条件，控制系统调节压力参数。等离子体电源(南京苏曼, PG-1000ZD，最大峰值电压为30 kV)驱动等离子体点火助燃头部的放电工作，数字示波器(Tektronix，带宽为1 GHz，采样率最大为5 G/s)记录放电过程中的电压电流波形，同时触发CCD(charge coupled devices)高速相机(拍摄速度为1 000 frame/s)搭配像增强器(IIM-C225)及CH*(430 nm±10 nm)窄带滤波片对火焰辐射信号进行采集。该系统可有效捕捉CH*信号。由控制系统调节入口气流各项参数，配合压力式燃油供给系统调节实验所需的燃料流量参数，本文采用的燃料为RP-3航空煤油。
1.2 等离子体点火助燃头部
滑动弧等离子体是一种典型的非平衡等离子体，在燃烧过程中产生大量化学活性物质，降低反应活化能，提高燃烧反应速率并拓宽燃烧稳定范围[7]。基础燃烧室及滑动弧等离子体点火助燃头部结构尺寸如图 1b)所示，L1和D1分别代表燃烧室内部长度与高度，其中L1=160 mm，D1=120 mm。L2和D2分别代表点火助燃头部的直径与厚度，其中L2=47 mm，D2=17 mm，旋流器叶片数量为8，叶片角度为45°。本文对比所使用的常规电火花点火器额定放电能量为3 J，额定工作电压范围为100~250 V交流电压，额定放电频率为3 Hz。点火助燃头部的核心结构及滑动弧运动图像如图 1c)所示，包括燃油喷嘴、陶瓷绝缘环、高压电极环以及旋流器等。
1.3 数据处理方法
1.3.1 等离子体放电功率
将示波器采集到的离散电压电流信号进行积分处理得到滑动弧等离子体放电的平均功率，由(1)式计算[18]。
(1)
式中: uj是数字示波器采集的电压信号, 单位为V; ij是数字示波器采集的电流信号, 单位为A; n是采样点, 本文每个工况采集的放电时间长度为100 ms, 采样频率10 M/s, 采样点为1 M点。
1.3.2 点熄火油气比
油气比公式如(2)式和(3)式所示, 考虑到气体压力对空气物性参数的影响, 将(2)式和(3)式整理后, 得到的油气比计算公式如(4)式所示。
(2)
(3)
(4)
式中：mf为燃油质量流量, 单位为g/s; Qa为空气体积流量, 单位为L/min; p, pstd分别是进气压力和标准压力, 单位为kPa; T, Tstd分别为进气温度和标准温度, 单位为K。
1.3.3 火焰图像处理方法
CH*作为燃烧反应中的重要中间产物, 通常以其分布变化表征火焰演化过程。本文对燃烧室点火(包括下文的熄火)的火焰CH*自发光信号进行采集。而后对采集到的CH*分布图像进行上色处理, 如图 2所示。
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图2 火焰图像处理方法 |
1.4 实验工况介绍
为探究不同空气压力对点火助燃头部放电特性、点火、熄火火焰演化过程及边界等影响规律。在进气温度为10 ℃, 燃油流量为0.44 g/s条件下, 参考燃烧室头部的实际使用工况, 分别设置了不同的空气压力和流量, 具体工况如表 1所示。
实验工况表
2 实验结果分析
2.1 低压对放电特性的影响分析
在工况4-6和4-2下滑动弧等离子体放电波形对比如图 3所示。图 3a)表明, 常压条件下滑动弧等离子体放电过程中电压具有明显的周期性, 即重复出现电压的逐渐增大和骤减过程。在宏观层面上, 与之对应的是电弧周期性地产生“电弧击穿-拉伸-熄灭”的过程。图 3b)为图 3a)在0~10 ms区间的放大波形。初始击穿时刻产生电弧(0~0.5 ms)电压峰-峰值(Up-p)约为2.5 kV, 放电电流约为0.2 A。随即电弧进入拉伸阶段(0.5~3.8 ms), 电弧发展需要更多的能量维持。因此, Up-p在这一过程中不断增加至7 kV左右, 少数Up-p达到10 kV, 放电电流增加至0.25 A左右。在电弧发展的最终阶段(3.8~4 ms), 由于等离子体电源输出功率无法继续维持电弧发展, 电弧熄灭, 电压和电流迅速减小。最后, 在最短间隙处重新击穿并重复上述过程, 形成周期性放电特征。
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图3 不同空气压力下电压电流波形(工况4-6, 4-2) |
对比分析工况4-6和4-2的放电特征可以发现，首先, “电弧击穿-拉伸-熄灭”过程的持续时间由4 ms左右(见图 3b))缩短至2.2 ms左右(见图 3d)), 缩短约45%。其次, 初始击穿时刻的Up-p由2.5 kV减小至2 kV左右, 减小约25%, 电弧拉伸阶段, Up-p虽在不断增大, 但其最大值由10 kV缩减至5 kV, 减小约50%。此外图 4为高速相机拍摄的原始电弧运动图像及其后处理过程。
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图4 不同空气压力下电弧运动图像 |
产生上述变化的原因在于, 空气压力的降低使得气体密度降低, 空气分子平均自由程增加而更易引发击穿、击穿时间缩短以及电弧通道变宽。低压环境也使得电弧稳定性降低, 更容易失稳并更快达到拉伸极限[7]。
(5)
由帕邢定律分析(5)式可知, 在气体种类、阴阳极材料和放电间距确定的情况下, A, B, γ, d均为常数, Up-p即为空气压力p的函数, 当空气压力由常压降低至80 kPa时, Up-p降低。
随着空气压力的变化，滑动弧等离子体放电平均功率曲线如图 5所示。从整体上看，随着空气压力从常压逐渐降低至75 kPa，滑动弧等离子体平均放电功率均呈先增大后减小的趋势。这是由于当空气压力由常压降低至90 kPa时，气体分子数密度下降，电子平均自由程显著增加，电子在电场中加速时间延长使得动能提升，电离效率提高，此时电弧的“击穿-拉伸-熄灭”过程更加频繁，使得等离子体电源要输入更多的能量来维持电弧运动，导致平均放电功率不断增大。但随着空气压力进一步减小至75 kPa，气体密度持续降低，击穿后产生的放电通道内电子和离子的数量和密度随之下降，电弧更易受到气流紊乱等外界因素的干扰，从而导致放电稳定性变差。
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图5 滑动弧等离子体平均放电功率曲线 |
2.2 低气压下燃烧室点火过程分析
点火边界是影响燃烧室点火性能的一个重要因素，它关系到飞行器飞行安全，因此研究燃烧室点火过程中火焰演化过程，对于发动机的稳定工作具有重要意义。
2.2.1 低气压下不同点火方式的点火边界
不同空气压力对电火花和滑动弧点火的点火边界影响如图 6所示。由图 6可知, 随着空气压力不断减小(常压减小至75 kPa)，同一流量下电火花点火与滑动弧点火的点火油气比明显呈上升趋势，例如300 L/min条件下，电火花点火油气比由0.075增大至0.11，滑动弧点火油气比由0.047增大至0.091。同一流量下，空气压力下降，空气密度随之减小，使得滑动弧和电火花放电与油气混合气相互作用的时间缩短导致点火性能下降。进一步对于滑动弧放电而言，因低气压会降低平均放电功率，使得在放电过程中产生的活性粒子减少，削弱了滑动弧等离子体对于燃烧反应的促进作用，与此同时，低气压条件下滑动弧放电过程中产生的自由基与焦耳热相较于常压下也大幅减少，推测其对于燃烧室初始点火过程的强化效应会有所减弱。
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图6 不同空气压力对点火边界的影响 |
2.2.2 低气压下不同点火方式的火焰演化过程
工况4-6和4-2下电火花和滑动弧点火火焰演化过程如图 7~8所示。如图 7a)~7b)所示，在电火花点火过程中，尽管燃烧室所处的空气压力环境不同，但两者点火过程中的火焰演化过程基本一致，以图 7a)为例，t=1~5 ms燃烧室左侧产生初始火核并沿横向发展，随后向燃烧室入口处回传，初始火核点燃附近区域油气混合气并持续发展。在t=17.5 ms时形成了具有一定强度的温度火焰，随后该火焰持续点燃燃烧室内新鲜的油气混合气并不断向下游发展。到t=42.5 ms时，火焰基本充满燃烧室。t=81.5 ms时，火焰强度达到最大值。
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图7 电火花点火火焰演化过程(工况4-6, 4-2) |
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图8 滑动弧点火火焰演化过程(工况4-6, 4-2) |
由图 8a)~8b)可知，滑动弧在不同空气压力条件下(常压和80 kPa)火焰演化过程也基本相似。以图 8a)为例，t=1~5 ms，火焰强度未发生明显变化，滑动弧放电电弧接触油气混合气却尚未形成有效的初始火核并不断发展。t=7.5~17.5 ms，燃烧室入口处形成了较为稳定的初始火核并不断发展。t=22.5 ms时，初始火核形成具有一定强度的稳定火焰，并在t=72.5 ms时刻充满整个燃烧室。
2种点火方式的火焰演化呈现“初始火核产生-回传-扩散发展-充满燃烧室”的过程。但低气压条件下，火焰发展到上述不同阶段所需时间有所差异。例如80 kPa条件下，电火花点火初始火核在2.5 ms时刻出现，7.5 ms实现火焰回传，52.5 ms火焰开始稳定燃烧并向下游发展(此处时间需考虑电火花2次释放脉冲能量的时间间隔)，并且由于电火花是脉冲放电，其火花能量释放集中在极小的区域内，且持续时间短，在低气压条件下，火核更容易扩散，能量密度降低，难以形成足够高温的火核，热效应减弱使得实现成功点火的点火次数增多。
对比图 7a)和图 8a)可知，常压条件下，初始火核产生时刻，电火花点火所产生的火焰强度一直保持在150 a.u.左右，而对应的滑动弧点火初始火核产生时其火焰强度只有100 a.u.左右。并且火焰达到最大强度所用时间电火花点火也是略短于滑动弧点火(81.5 ms与92.5 ms)。出现这种现象的原因可能在于电火花点火通过高温等离子体直接引发局部混合气反应，使得点火过程反应更加迅速。但滑动弧点火主要依赖于电弧产生的活性自由基逐步引发混合气的燃烧反应，这就需要一定的时间来积累活性物质，因此滑动弧点火火焰达到最大强度所用时间略长于电火花点火。
当空气压力下降到80 kPa时，对比图 7b)和图 8b)可知，电火花点火过程中，除释放脉冲能量时火焰强度达到150 a.u, 左右，其余阶段其火焰强度均在100 a.u.以下。对于滑动弧等离子体点火，靠近点火助燃头部处的火焰强度始终维持在150 a.u.，其余部分强度也在100 a.u.左右，并且火焰达到最大强度时，所用时间也明显短于电火花点火所用时间(430 ms与720.5 ms)。一方面由电火花点火最小能量与空气压力的关系式Emin∝p-α，(α=0.5~2.0)，随着空气压力的减小，需要的最小点火能量增大，电火花点火性能减弱。另一方面，施加滑动弧等离子体激励时，因其所在的点火位置处油气比合适，且滑动弧可以连续激励并产生大量的高能电子、亚稳态粒子与活性粒子促进燃料裂解为低碳链的烃类化合物，同时滑动弧放电能够为燃烧提供大量的自由基与焦耳热，可以强化燃烧室初始点火过程，使其在低气压下仍能保持可靠的点火性能。
2.2.3 低气压下不同点火方式的点火延迟时间
为进一步分析低气压条件下滑动弧点火和电火花点火的瞬态过程，通过采集火焰的CH*信号，得到归一化火焰强度随时间变化的曲线。将点火延迟时间定义为从放电开始到CH*强度值首次达到峰值的时间(图 10中A~D点所对应的时间)。
由于电火花点火需要初始火核回传且释热积累，其点火过程有一定的随机性，通常需要多次点火才能点燃燃烧室。图 9为电火花点火曲线，相邻2次放电的时间间隔为355 ms，对应的放电频率为3 Hz。表 2为不同空气压力下电火花成功点火所用的放电次数。
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图9 电火花点火曲线 |
电火花成功点火所用的放电次数
工况4-6和4-2下，2种点火方式的火焰强度变化曲线如图 10所示。可以看出，电火花点火在放电瞬间火焰强度瞬间增大，随后迅速收缩，火焰强度减小，随着火焰不断回传、发展，最终火焰强度趋向于稳定，即实现火焰的自持燃烧，此时视为点火成功。从图 10中还可以看出，曲线A点、C点分别对应时间为81.5 ms及365.5 ms。考虑到表 2中电火花放电次数为2次, C点实际对应的点火延迟时间应为720.5 ms。如图 10中滑动弧(100 kPa)、滑动弧(80 kPa)曲线所示，火焰强度变化曲线到达B点、D点分别对应时间为93 ms及429.5 ms。由此可以表明，空气压力的减小及2种点火方式的点火延迟时间都有不同程度延长，但相较于电火花点火，滑动弧等离子体点火延迟时间的延长幅度更小，反映其点火更加迅速。
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图10 2种点火方式的火焰强度变化曲线(工况4-6，4-2) |
2.3 低气压下燃烧室熄火过程分析
2.3.1 低气压下不同熄火方式的火焰演化过程
当燃烧室内新鲜的油气混合气不足以被燃烧室内正在进行的化学反应所释放的热量继续加热到反应所需要的温度时发生熄火。
工况4-6和4-2条件下常规和施加滑动弧等离子体的熄火过程如图 11~12所示。将熄火时刻记为t=0 ms，熄火前的时刻为负。分别在t=-3 000 ~-900 ms(间隔150 ms，共15幅图像)、t=-800~0 ms(间隔100 ms，9幅图像)的时间段内分析火焰的动态熄火过程。
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图11 不同气压下常规熄火过程(工况4-6, 4-2) |
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图12 不同气压下施加滑动弧的熄火过程(工况4-6, 4-2) |
工况4-6下常规熄火过程如图 11a)所示。稳定燃烧(-3 000 ms)时，火焰布满燃烧室，火焰强度普遍维持在100 a.u.左右，局部区域可达120 a.u.。随着油气混合气快速消耗，燃烧室左侧火焰无法维持，火焰表面开始出现整体断裂，并逐渐向燃烧室右侧及入口收缩，熄火范围扩大(-2850~-1 050 ms)。当t=-900 ms时，下游油气混合气逐渐耗尽，火焰向下游传递受阻，火焰仅残存于燃烧室上游区域，强度维持在100 a.u.左右，熄火现象进一步加剧。随后火焰面积急剧缩小，强度降至100 a.u.以下。当燃烧释放的热量不足以点燃剩余油气混合物时，火焰完全熄灭(0 ms)。
由图 11a)~11b)对比可知，当空气压力由常压下降至80 kPa时，火焰演化过程的主要差异在于火焰分布范围、各阶段所对应的时刻以及火焰强度。首先，火焰分布范围较常压明显缩小。其次，火焰收缩(-2 850 ms提前至-3 000 ms)、无法向下游传递(-900 ms提前至-1 950 ms)和临近熄火阶段(-600 ms提前至-800 ms)所对应时刻都有提前。此外，从火焰收缩到临近熄火阶段，火焰强度由120 a.u.左右(100 kPa)降至100 a.u.左右(80 kPa)，下降约16.7%。最终t=0 ms时，因燃烧释放热量不足，火焰完全熄灭。即在低气压条件下熄火过程更快，空气密度降低，单位体积内的氧分子减少，导致燃烧反应速率降低，火焰稳定性减弱，更容易引发熄火。
从图 12a)可看出，施加滑动弧等离子体后，火焰演化呈现明显的“防熄”效应(相较于常压下常规熄火)。火焰收缩(-2 850 ms延迟至-2 550 ms)、无法向下游传递(-900 ms延迟至-500 ms)以及临近熄火(-600 ms延迟至-300 ms)均有延迟。从火焰强度看，在临近熄火之前燃烧室的中上游区域火焰强度提升至150 a.u.，较常规熄火(120 a.u.)增强约25%。
低气压(80 kPa)条件下滑动弧等离子体对熄火过程的影响更为明显。首先，火焰收缩从-3 000 ms(80 kPa常规熄火)推迟到-2 400 ms，随后火焰无法向燃烧室下游传递到临近熄火，对应时间分别推迟至t=-1 500 ms和t=-600 ms。从火焰分布和强度来看，火焰开始收缩时，火焰强度接近150 a.u., 占燃烧室面积的一半。而后直到临近熄火，除燃烧室入口火焰强度在150 a.u.之外，剩余区域火焰强度都在100 a.u.以上。而对于常规熄火，在整个熄火过程中，火焰面积明显小于燃烧室面积的三分之一，火焰强度最大仅在120 a.u.左右。
2.3.2 临近熄火火焰瞬态特征分析
工况4-6和工况4-2下常规和施加滑动弧等离子体激励的熄火过程中火焰强度变化曲线，归一化处理后用以表征该过程中火焰变化趋势，如图 13所示。
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图13 不同气压下火焰强度变化曲线(工况4-6, 4-2) |
从整体上看在熄火过程中，CH*强度值呈减弱趋势，且气压越低，CH*强度越弱。施加滑动弧等离子体激励后，首先，曲线的整体波动幅度较常规熄火有明显减小，如图 13a)中箭头所示(-1 100~0 ms)。尤其要注意的是，当空气压力降低至80 kPa时，如图 13b)中箭头所示(-1 100~0 ms)，常规熄火的火焰强度曲线波动幅度明显增大，相比之下施加滑动弧等离子体激励的曲线波动幅度较小。其次，施加激励的曲线下降趋势变得更为平缓，尤其在熄火前500 ms，常规熄火火焰强度曲线下降幅度更为明显，曲线斜率显著大于施加滑动弧等离子体火焰强度曲线斜率, 其在宏观层面上对应为在临近熄火时，火焰熄灭更为迅速。
随着空气压力的变化，2种熄火方式的熄火油气比变化曲线如图 14所示。常规熄火油气比由0.043上升到0.082，增大47.6%，施加激励后的熄火油气比由0.041上升到0.079，增大48.1%。施加滑动弧等离子体激励后其熄火油气比都有不同程度降低。如空气压力为90 kPa时，熄火油气比由0.055(常规熄火)降至0.046(施加滑动弧), 熄火边界拓宽16.4%。
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图14 2种熄火方式熄火油气比变化曲线(300 L/min) |
这是由于在熄火过程中，油气混合气经过滑动弧等离子体持续稳定的放电区域被点燃形成值班火焰，在相同的空气压力条件下，火焰更加稳定地附着于等离子体放电头部并维持在主燃区，表现出“稳焰”作用。此外, 滑动弧等离子体的裂解作用可以使燃料反应活化能降低，使得反应速率大幅提升[19]。由此在相同的空气压力下，施加滑动弧等离子体时熄火边界得到大幅拓宽。
3 结论
本文基于一种航空发动机滑动弧等离子体点火助燃头部，搭建了低气压基础燃烧室实验平台，初步探究了不同空气压力对点火助燃头部放电特性、燃烧室点火、熄火火焰演化过程及边界等影响规律，得到如下结论：
1) 相比于常压下滑动弧等离子体放电，低气压条件下滑动弧等离子体放电过程与规律明显不同，以300 L/min为例(常压减小至80 kPa)，初始击穿时刻，Up-p由2.5 kV降低至2 kV，电弧拉伸发展阶段，Up-p由10 kV降低至5 kV。电弧的“击穿-拉伸与发展-熄灭”周期由4 ms降低至2.2 ms。电弧平均放电功率由134.5 W(常压)增大至137 W(90 kPa), 增大1.8%。但随着压力进一步减小，功率降低至111.6 W(75 kPa)，降低18.5%。
2) 随着空气压力不断减小，2种点火方式的点火油气比不断增大。例如300 L/min条件下，电火花点火与滑动弧等离子体点火油气比分别增大29.9%(0.075增大至0.107)和48.4%(0.047增大至0.091)。以90 kPa为例，其点火边界拓宽26.4%(0.072减小至0.053)。
3) 点火延迟时间随空气压力的下降而延长，电火花点火延迟时间由81.5 ms (100 kPa)延长至720.5 ms (80 kPa)，滑动弧点火延迟时间由93 ms (常压)延长至429.5 ms (80 kPa)。而在同一空气压力条件下，相较于电火花点火，滑动弧等离子体点火延迟时间大幅缩短，如压力为80 kPa时，滑动弧等离子体点火延迟时间较电火花缩短约40.4% (720.5 ms缩短至429.5 ms)。
4) 施加滑动弧等离子体激励熄火边界相较于常规都有不同程度拓宽。在90 kPa时，熄火油气比由常规熄火条件下的0.055下降到施加激励下的0.04，拓宽比例为16.4%。
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All Tables
All Figures
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图1 低气压放电及燃烧实验平台结构示意图 |
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图2 火焰图像处理方法 |
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图3 不同空气压力下电压电流波形(工况4-6, 4-2) |
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图4 不同空气压力下电弧运动图像 |
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图5 滑动弧等离子体平均放电功率曲线 |
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图6 不同空气压力对点火边界的影响 |
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图7 电火花点火火焰演化过程(工况4-6, 4-2) |
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图8 滑动弧点火火焰演化过程(工况4-6, 4-2) |
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图9 电火花点火曲线 |
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图10 2种点火方式的火焰强度变化曲线(工况4-6，4-2) |
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图11 不同气压下常规熄火过程(工况4-6, 4-2) |
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图12 不同气压下施加滑动弧的熄火过程(工况4-6, 4-2) |
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图13 不同气压下火焰强度变化曲线(工况4-6, 4-2) |
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图14 2种熄火方式熄火油气比变化曲线(300 L/min) |
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