回流区的工作，燃烧室稳定火焰的机理

对于发动机来说．为了增加容热强度，以便在短时间内产生大量能量，使发动机产生大的推力，就需要吸进大量空气，因此进入主燃烧室的流速一般在60m／s以上。加力燃烧室一般要80—120 m／s。可煤油与空气的混气在紊流状态下的最大火焰传播速度也不过20 m／s，如果不采取有效措施，火焰就会被吹出发动机外，得不到稳定；如果采用降低燃烧室气流速度的方法，不仅会增大燃烧室的流动损失，而且还会使发动机的迎风面积大到飞机不能接受的程度。这个矛盾在引用了回流区的概念后，巧妙而顺利地解决了。 1．回流区的建立 2．回流区的划分和定义 3．回流区的点火及工作  1．回流区的建立 在河流中，如果有个障碍物，如一个凸起的石头或桥墩后面，总会看见水流过时形成的旋涡，在那里不停地旋转，这个区域就是回流区。 气流中的障碍物同样会形成气流旋涡，因此也称为回流区。 http://202.117.80.9/jp2005/29/combustion/chapter4/%C2%BB%C3%B0%C3%91%C3%A6%C3%8E%C3%88%C2%B6%C2%A8/%C2%BB%C3%98%C3%81%C3%B759.gif 加力燃烧室中的火焰稳定器往往作成V形槽状置于气流中，成为气流中的障碍物，因而形成回流区。 主燃烧室所形成的回流区的情况大体上是： （1）由于扰流器的作用，进入火焰筒头部的气流是旋转的，由于离心力的作用，大部分气流被甩至外围，造成中间空气稀薄。 （2）离心式喷嘴刚喷出的是油膜，空气是不能穿过油膜，故也相当于一个小的障碍物。 （3）在油膜破裂后以一定的散射角度向外围喷射，也带动一部分空气射向外围。 以上这三种作用使主燃烧室中间部分空虚，造成一定的低压区，为形成回流区造成一定的条件。 我们现在用加力燃烧室的一个V形稳定器的二元切面来分析回流区的形成。 如图4—9（10—10）所示，开始当气体静止时，稳定器前后都充满同样状况的气体，当上游以 http://202.117.80.9/jp2005/29/combustion/chapter4/%C2%BB%C3%B0%C3%91%C3%A6%C3%8E%C3%88%C2%B6%C2%A8/%C2%BB%C3%98%C3%81%C3%B761.gif 的速度流来的平行气流碰到稳定器这个障碍后，必然绕过它而流动。由于气体的分子交换和紊流微团的交换，在稳定器背后空间的未流动的空气，逐渐被外围的连续高速(当流至稳定器边缘的气流，由于面积减小而加速)气流所夹带、携裹而带往下游，于是在这个空间，空气变得稀薄，压力降低，当气流流到这个空间尾部，由于气体速度相对减慢，静压提高，必然有一部分气体折返逆流以填充前面压力较低区域，由于整个过程是连续的，即稳定器后空间的气体不断被带走，又不断被后面的气体逆流而补充，于是在这个空间形成两个大致对称的旋涡，不停地旋转。对于三元的来说，这是两个对称的涡环，对二元的来说则是两个对称的涡柱，这二个对称的漩涡是交替脱落的。这便是回流区形成的描述。 http://202.117.80.9/jp2005/29/combustion/_themes/nature/anarule.gif 2．回流区的划分和定义 按回流区剖面上的流动状况等区别划分，并给出一定的名称，通常的划分为“四心四区”。 由于障碍物的对称，形成两个大致对称的椭圆形旋涡，每个旋涡中间有个核心，气体大体绕它旋转，核心中点的速度为零，我们称之为涡心，定义 http://202.117.80.9/jp2005/29/combustion/chapter4/%C2%BB%C3%B0%C3%91%C3%A6%C3%8E%C3%88%C2%B6%C2%A8/%C2%BB%C3%98%C3%81%C3%B763.gif 为下涡心，如图4—10（10—11）所示。 在紧靠障碍物背后的凹区内，气流滞止。我们称为前死心 http://202.117.80.9/jp2005/29/combustion/chapter4/%C2%BB%C3%B0%C3%91%C3%A6%C3%8E%C3%88%C2%B6%C2%A8/%C2%BB%C3%98%C3%81%C3%B765.gif 。在回流区的尾部，由于气流结构造成一个菱形区，它的核心点，称之为后死心 http://202.117.80.9/jp2005/29/combustion/chapter4/%C2%BB%C3%B0%C3%91%C3%A6%C3%8E%C3%88%C2%B6%C2%A8/%C2%BB%C3%98%C3%81%C3%B768.gif 垂直于障碍物中线的一条线，以此线作为该线所在截面处的轴向速度分布纵坐标可看出，在 http://202.117.80.9/jp2005/29/combustion/chapter4/%C2%BB%C3%B0%C3%91%C3%A6%C3%8E%C3%88%C2%B6%C2%A8/%C2%BB%C3%98%C3%81%C3%B770.gif 以下，其轴向气流速度和主流方向相同，在涡心处轴向速度为零，离涡心后，速度逐渐加大，愈远愈大，直至等于主流速度。在 http://202.117.80.9/jp2005/29/combustion/chapter4/%C2%BB%C3%B0%C3%91%C3%A6%C3%8E%C3%88%C2%B6%C2%A8/%C2%BB%C3%98%C3%81%C3%B772.gif 之间，气流轴向速度和主气流速度方向相反，随着距 http://202.117.80.9/jp2005/29/combustion/chapter4/%C2%BB%C3%B0%C3%91%C3%A6%C3%8E%C3%88%C2%B6%C2%A8/%C2%BB%C3%98%C3%81%C3%B774.gif 愈远，速度渐大，直至二旋涡交界即障碍物的中线处为最大，但它的绝对值仍比主流速度为小。 按同样办法，我们可以垂直于中心线任意点切无数剖面，绘出该截面的速度分布，其形状大同小异。如图4—10中的1、2、3截面(这已为实验所证实)，每个被切截面都有个逆流部分，因此都存在上下两个零轴向速度点，把这些点用虚线连接起来，即称为零轴向速度线(简称零速线)，零速线包围的包括上下两个旋涡的轴向逆流速度部分，称为逆流区。零速线以外，主要指上、下的部分，即为顺流区。 顺流区应当有个外边界，拿上旋涡来说，从零速线向上，速度逐渐加大，最大到等于主流速为止。那么即认为当 http://202.117.80.9/jp2005/29/combustion/chapter4/%C2%BB%C3%B0%C3%91%C3%A6%C3%8E%C3%88%C2%B6%C2%A8/%C2%BB%C3%98%C3%81%C3%B776.gif 为垂直于中心线的纵坐标)即为顺流区的边 界。还有一种说法即顺流区的气流大部分会转回来至逆流区，那些大部分不进入逆流区的气流和大部分进入逆流区气流的边界即为顺流区的外边界。 在 http://202.117.80.9/jp2005/29/combustion/chapter4/%C2%BB%C3%B0%C3%91%C3%A6%C3%8E%C3%88%C2%B6%C2%A8/%C2%BB%C3%98%C3%81%C3%B777.gif 所在的紧靠钝体背后的那个气流滞止点的区称为前死区，这里主要是已燃气温度较高，将是一个预热混气，促进燃油蒸发加热钝体的区域，并在回流区因某种原因使温度降低时起补充热量的作用。 在 http://202.117.80.9/jp2005/29/combustion/chapter4/%C2%BB%C3%B0%C3%91%C3%A6%C3%8E%C3%88%C2%B6%C2%A8/%C2%BB%C3%98%C3%81%C3%B778.gif 所在的回流区尾部的那个菱形区称为后死区，这个区是由气流结构所决定，见图4—11（10—12）。 　http://202.117.80.9/jp2005/29/combustion/chapter4/%C2%BB%C3%B0%C3%91%C3%A6%C3%8E%C3%88%C2%B6%C2%A8/%C2%BB%C3%98%C3%81%C3%B779.gif 当顺流区的边界附近气流流至尾部时，一部分折返进逆流区，一部分沿流线向后流去，于是在分流处形成这个菱形的有速度分布的后死区， http://202.117.80.9/jp2005/29/combustion/chapter4/%C2%BB%C3%B0%C3%91%C3%A6%C3%8E%C3%88%C2%B6%C2%A8/%C2%BB%C3%98%C3%81%C3%B781.gif 为中心，作一斜交叉的十字坐标可看出，离 http://202.117.80.9/jp2005/29/combustion/chapter4/%C2%BB%C3%B0%C3%91%C3%A6%C3%8E%C3%88%C2%B6%C2%A8/%C2%BB%C3%98%C3%81%C3%B782.gif 点愈远，速度愈大，而且各分支坐标上气流方向都不一样。后死区是残余火焰留存地，在我们的实验中曾观察到，当主流区火焰熄灭后，主回流区亦无火焰，而在这个远离钝体的环形菱形区内，有断续的火焰存在，虽然它处于不稳定的状态，只要它仍然存在，条件转佳时，它又能把主回流区以至主流区点燃。 因此回流区是包括这四个区在内的整个大菱形区，而不是仅指逆流区而言。 图4—12示出了通过水模拟照相得到的斯贝火焰筒中的气流流动示意图，它清晰地说明回流区的存在和它的流型。 　 http://202.117.80.9/jp2005/29/combustion/_themes/nature/anarule.gif 　 3．回流区的点火及工作 由于回流区造成的逆流区及顺流区的存在，使点火成为可能。 http://202.117.80.9/jp2005/29/combustion/chapter4/%C2%BB%C3%B0%C3%91%C3%A6%C3%8E%C3%88%C2%B6%C2%A8/%C2%BB%C3%98%C3%81%C3%B784.gif 燃烧室的第一把火是外界强加于它的。即由电嘴放电或点火器(预燃室)喷出的火炬点燃的。那么如前所述，燃烧室的气流速度远高于此时此地的火焰传播速度，火焰是稳不住的，一般不会产生回火现象，倒是往往产生吹熄，但是由于回流区的存在，火焰基本上稳定在一个小范围内。 如图4-13（10—14）所示，在回流区选取任一横截面，这里我们选取穿过 http://202.117.80.9/jp2005/29/combustion/chapter4/%C2%BB%C3%B0%C3%91%C3%A6%C3%8E%C3%88%C2%B6%C2%A8/%C2%BB%C3%98%C3%81%C3%B785.gif 的横截面来分析。该截面的速度分布如曲线 http://202.117.80.9/jp2005/29/combustion/chapter4/%C2%BB%C3%B0%C3%91%C3%A6%C3%8E%C3%88%C2%B6%C2%A8/%C2%BB%C3%98%C3%81%C3%B786.gif 所示，燃油与空气在越过钝体边缘后，大致形成可燃混气，此时它的火焰传播速度为 http://202.117.80.9/jp2005/29/combustion/chapter4/%C2%BB%C3%B0%C3%91%C3%A6%C3%8E%C3%88%C2%B6%C2%A8/%C2%BB%C3%98%C3%81%C3%B791.gif 分布，那么我们总可以在这个分布中找到一点(即b点)，这里的气流速度恰好和火焰传播速度相等，方向相反，即 http://202.117.80.9/jp2005/29/combustion/chapter4/%C2%BB%C3%B0%C3%91%C3%A6%C3%8E%C3%88%C2%B6%C2%A8/%C2%BB%C3%98%C3%81%C3%B792.gif ，这满足了火焰稳定的基本条件，火焰在此固定不动，成为一个固定点火源。 点火源是否仅在 http://202.117.80.9/jp2005/29/combustion/chapter4/%C2%BB%C3%B0%C3%91%C3%A6%C3%8E%C3%88%C2%B6%C2%A8/%C2%BB%C3%98%C3%81%C3%B793.gif 截面，这不一定，它有可能在前面．也有可能在后面，这要视气流及混气参数而定，但点火源在顺流区内这是肯定的。 由于火焰的传播是以法线方向以球面向外传播，那么以b点为点火源的火焰，将会向上、向下传播，向上将把b点上方相邻的 http://202.117.80.9/jp2005/29/combustion/chapter4/%C2%BB%C3%B0%C3%91%C3%A6%C3%8E%C3%88%C2%B6%C2%A8/%C2%BB%C3%98%C3%81%C3%B795.gif ，那么会发生吹熄现象，即火焰将以( http://202.117.80.9/jp2005/29/combustion/chapter4/%C2%BB%C3%B0%C3%91%C3%A6%C3%8E%C3%88%C2%B6%C2%A8/%C2%BB%C3%98%C3%81%C3%B797.gif 点，紧接着流来的混气又被b点所点燃，尽管这将落后一个小距离，但火焰仍是连续的。于是 http://202.117.80.9/jp2005/29/combustion/chapter4/%C2%BB%C3%B0%C3%91%C3%A6%C3%8E%C3%88%C2%B6%C2%A8/%C2%BB%C3%98%C3%81%C3%B799.gif 点燃，这样一层层的把火焰传播出去，但由于分层滞后，有个倾斜的角度。 在b点的下方，火焰将传播至邻层 http://202.117.80.9/jp2005/29/combustion/chapter4/%C2%BB%C3%B0%C3%91%C3%A6%C3%8E%C3%88%C2%B6%C2%A8/%C2%BB%C3%98%C3%81%C3%B72.gif ，火焰将前传，即回火现象，但回到混气形成尚不无分，此时 http://202.117.80.9/jp2005/29/combustion/chapter4/%C2%BB%C3%B0%C3%91%C3%A6%C3%8E%C3%88%C2%B6%C2%A8/%C2%BB%C3%98%C3%81%C3%B73.gif ，而等于该地的气流速度时即停止，于是火焰迅速地充满钝体的整个火焰筒截面。 如果气流速度突然加大，点火源将内缩，在 http://202.117.80.9/jp2005/29/combustion/chapter4/%C2%BB%C3%B0%C3%91%C3%A6%C3%8E%C3%88%C2%B6%C2%A8/%C2%BB%C3%98%C3%81%C3%B74.gif 处稳定，若气流速度突然减小，点火源外伸，仍然是 http://202.117.80.9/jp2005/29/combustion/chapter4/%C2%BB%C3%B0%C3%91%C3%A6%C3%8E%C3%88%C2%B6%C2%A8/%C2%BB%C3%98%C3%81%C3%B75.gif 处稳定，混气形成的较好较早，点火源将前移，混气形成较差较迟，点火源将后撤，一般点火源总是在顺流区内某个上下、前后不太大的范围内移动，在条件非常恶劣时点火源移至顺流区后部，甚至后死区，那就离熄灭不太远了。 由于我们分析的是一个剖面，实际是个轴对称的空间，因此固定点火源是个圆环，它的点燃作用就更强了。 在一般情况下进入逆流区的是已燃气，其温度接近于该混气相应的理论燃气温度，由于离解的作用，存在大量的活性粒子，这对顺流区的点燃、燃烧都有很大促进作用，因此有人认为，回流区的点燃是逆流区高温燃气作用的结果。逆流区形成的高温高紊流核心，起到对液态油珠的蒸发裂化，对混气的加温等作用，这显然对点燃是有利的。由于存在大量的活化粒子，亦将加剧化学反应的进行，因此说它起到点火作用，亦是有道理的。