如何在200米/秒的大风中点燃火柴?航空发动机的内部构造如此神奇
2019/03/14 21:21:06
生活经验告诉我们，在大风的天气，点燃火柴或者打火机很困难。那么各位读者是否想过，飞机在高空飞行中，如何保证燃烧室的稳定燃烧呢？
航空发动机燃烧室的工况
空气在经过航空发动机的压气机后，速度会达到200米/秒上下，这是什么概念呢。在海面12级飓风可以掀起10米高的海浪。而12级飓风也只有30多米/秒。所以航空发动机的工作条件是极为严峻的。如果飞机在高空中熄火，危险可想而知。所以航空发动机的稳定性极为重要。那么在燃烧室里是怎样稳定火焰的呢？这就要从火焰速度谈起。
火焰的稳定条件
火焰的传播速度是指火焰相对于未燃气体的移动速度。在燃烧学中，火焰锋面与我们生活看到的火焰不同。燃烧学中，火焰锋面是燃料和空气按最恰当的比例混合，燃烧后只有产物的一个薄面。火焰锋面会自发的向未燃气体的方向移动。同时，未燃气体会与火焰锋面相反的方向移动，那么这两者的大小就决定了火焰的情况。
当火焰速度大于未燃气体速度时，就会发生"回火"现象，当两者速度相等时，火焰就会稳定。当未然气体速度较大时，火焰会改变自己的形状，使得垂直与火焰面的未燃气体速度与火焰传播速度相等。但当火焰速度特别大时，火焰就会被吹熄。
因此稳定火焰的关键就是使气流流速与火焰速度相等或相近。可是，火焰的传播速度一般不到1米/秒，所以……
稳定火焰的方法：构造低速回流区
在生活中，如果想在有风的天气中点燃火柴，人们常做的动作就是用手遮挡，一些打火机也有防风罩，用的也是同样的道理。
这个原理就是利用钝体制造一个低速区域，使得火焰与流速相等，从而可以维持火焰。在航空发动机的燃烧室中，使用的也是类似的方法。首先，从压气机出来的高速气流先经过扩压器减速，然后经过燃烧室中一个叫做旋流器的东西，它的作用就是让空气和燃油的混合物在燃烧室中旋转。生活经验告诉我们，绕中心旋转的东西需要向心力。比如用绳子拴住小球旋转，绳子的拉力就提供了向心力。那么在燃烧室谁给旋转的流体提供了向心力呢？答案是压力。在燃烧室旋流中，外侧的压力较大，内侧的压力较小，这种压力差使得流体可以维持旋转。这种压力差还带来了另一个好处，就是内侧压力小，使得后方的气流可以填补前方的低压区，形成了一股回流。
就像上图表现的那样中间回流与两侧气流方向相反，这样，在两股气流的分界处，就形成了低速区域，这就为火焰的稳定提供了有力的保障。从图中可以看出，火焰就是在这片回流区附近组织燃烧的。火焰燃烧的区域叫做主燃区，它的后面还有掺混区，是为了保证燃气温度不要过高，烧坏后面部件。航空发动机就是使用这种办法，实现了在200米/秒的空气中稳定火焰的目的。