金年会

高速摄像机在科研试验中有着广泛的用途，燃烧就是最典型的高速应用之一。我们今天想要为大家分享一些拍摄燃烧室点火的静态试验经验。

先进航空发动机普遍采用环形燃烧室结构

多个单管燃烧室

该类型的燃烧室的主要特征如下：燃烧室由若干个单管燃烧室组成，每个单管燃烧室由一个管形的火焰筒及其外围单独的外壳组成，沿发动机圆周均匀地分布，各个单管燃烧室之间用传焰管(联焰管)联通，传播火焰和均衡压力。

环管形燃烧室

燃烧室的内、外壳体构成环形气流通道，若干个管式火焰筒，沿圆周均匀安装在环形气流通道里，相邻火焰筒燃烧区之间用传焰管联接。

环形燃烧室

燃烧室的内、外壳体构成环形通道，通道内安装一个由内、外壁构成的环形火焰筒，因而燃烧是在环形的燃烧区和掺混区进行的。

直接对全尺度工业级燃烧室进行点火实验研究面临着测量困难和费用高昂等问题, 发展实验室尺度的燃烧室模型, 在尽可能保留真实燃烧系统流场特性的同时方便光学诊断, 成为了研究环形燃烧室点火机理的有效途径。实验室模型从单头部燃烧室、多头部直线排列燃烧室模型、多头部旋流喷嘴组成的扇区燃烧室, 逐渐发展为现在十分关注的环形燃烧室。

单头部燃烧室实验装置相对简单, 光学测量便利, 实验参数也较易实现, 但是缺失了多个头部火焰干涉状态下的火焰传播特征。直线排列的多头部燃烧室模型可以用于研究火焰干涉和头部间联焰机理, 但不能反应环形燃烧室真实几何曲率作用下的火焰传播特性。多头部扇形燃烧室可以在一定程度上反应燃烧室的曲率特征, 但是受限于两侧壁面效应, 无法准确反映环形燃烧室的整个流场特征和周向火焰传播的合焰过程。目前, 国内外已经发展了一些较为成熟的环形燃烧室模型。

环形燃烧室点火和火焰传播特性受到许多因素的影响, 不同点火模式、预混和非预混条件下点火特性、点火可靠性、燃烧稳定性及喷雾燃烧等问题的研究已经取得一定进展。例如先通气后点火(FFSL, Fuel First, Spark Later)模式下, 周向点火过程包含拱形火焰面的传播, 而先点火后通气(SFFL, Spark First, Fuel Later)模式下, 喷嘴间火焰传播呈现"锯齿形"模式；对于不同燃料的喷雾燃烧, 由于雾化特性不同, 周向点火时间存在一定差异。为了系统地研究环形燃烧室点火过程, 实验中通常会考虑当量比、点火模式、热功率、流速、喷嘴间距等因素。

图中所示是点火连焰现象。

燃烧室周向点火过程一般分为3个阶段：（1）初始火核的形成；（2）火核扩张发展，在点火针附近喷嘴处形成单个稳定的旋流火焰；（3）火焰沿周向传播，依次点燃全部喷嘴后稳定燃烧。

因此如果只希望定性观察，其实所需的拍摄速度不高。甚至于和我们生活中使用的燃气灶类似，1,000FPS足以捕捉过程全程，不需要使用太高的帧率。同时使用Phantom高速摄像机独具的EDR功能，可以提高动态范围的功能。在过去的文章中我们介绍过这一功能，EDR可以主动地降低一部分即将过饱和的像素阱的积累水平，从而不仅能一定程度上控制高亮度区域的亮度，阻止过曝。也可以让低亮度区域使用更合适的曝光参数，保留更多的细节。这项功能可以降低点火或燃烧时突然变化的亮度影响，让点火的拍摄更加简单。

但如果在此基础上，想要关注更加细节的内容，如湍流、爆燃等。就需要了解其流场环境，拍摄有效的素材留作分析依据。旋流喷嘴能够稳定火焰并且拓宽燃烧室工作范围, 但是旋流引入的切向速度分量会影响火焰传播过程的对称性。剑桥大学的环形燃烧室模型中布置了12个旋流方向俯视为逆时针的旋流喷嘴。周向排列的旋流喷嘴会在燃烧室外壁面附近形成逆时针的周向速度分量, 而在燃烧室内壁面附近形成顺时针的周向速度分量。

图中S表示喷嘴间距。在这样的流场结构影响下, 周向火焰传播过程会出现不对称性

图为剑桥大学环形燃烧室模型的周向火焰传播过程的俯视图

在航空发动机燃烧室设计中普遍采用SFFL点火模式, 该点火模式易受流动的影响, 且由于点火和火焰传播过程均为湍流火焰, 由此带来的周向点火过程比FFSL模式具有更大的不确定性。通过高速摄像这种非接触测量能够更好地记录过程细节，方便后续的研究。

引用文档：王高峰, 夏一帆, 叶沉然, 等. 环形燃烧室周向点火机理基础研究进展. 实验流体力学, 2019, 33(1): 14-28.

htt/html.rhhz.net/SYLTLX/html/2019-1-14.htm#outline_anchor_67

适合此类试验的Phantom机型

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