超声速气流中稳焰凹腔吹熄极限分析与建模

吹熄极限的研究对于超燃冲压发动机燃烧室中稳焰凹腔和燃料喷注方案的设计具有重要学术意义和工程应用价值．针对凹腔上游喷注燃料的火焰稳定过程进行了研究,从理论上分析了超声速气流中凹腔稳定燃烧的贫燃与富燃吹熄机制,基于剪切层稳燃模式,进一步考虑流场的三维结构,并结合横向射流穿透与混合模型,在有效当量比的计算、凹腔的卷吸过程以及燃料射流与凹腔剪切层／回流区的质量交换等方面改进了已有模型,重新定义了与吹熄过程密切相关的Damokhler数和有效当量比,并以两者关系为准则建立了描述富燃和贫燃吹熄极限的数学模型,进而通过实验数据验证了模型的有效性．     

变几何超燃冲压发动机优化设计研究

构建了包括前体/进气道、燃烧室、尾喷管/后体的全流道超燃冲压发动机性能计算程序和优化设计平台,对性能计算程序的适用性进行了验证.进行了氢燃料变几何燃烧室的全流道超燃冲压发动机优化设计.设计结果表明,变几何燃烧室超燃冲压发动机性能得到提高.     

扫气式预燃室射流点火燃烧特性的实验研究

低碳燃烧概念的出现使得内燃机节能减排势在必行.废气再循环稀释燃烧作为一种提高热效率、降低排放的技术手段,有很大的应用价值.本文针对废气稀释下燃烧不稳定问题,提出一种扫气式TJI装置.基于可视化定容燃烧弹研究了火花塞点火SI、被动式TJI和扫气式TJI在不同CO2浓度下的射流及火焰发展过程.研究发现TJI能够形成较强的湍流燃烧,相较于SI有更快的燃烧速率.随着二氧化碳浓度的升高,火焰传播速度下降. TJI的射流出现时刻大幅推迟、射流强度逐渐降低,主燃室燃烧速率下降.通过对预燃室进行主动扫气可以改善预燃室内混合气状态,使得预燃室混合气在点火后燃烧速度加快,且射流强度不受二氧化碳浓度的影响,从而加快主燃室内的燃烧,拓展二氧化碳掺混极限.预燃室内当量比为1时射流强度最大.扫气模式下,二次扫气能更彻底地改善预燃室内混合气状态.相较于一次扫气更能提高射流强度,从而加快主燃室内燃烧.采用二次扫气策略可以提升主燃室稳定燃烧二氧化碳浓度极限至30%.     

几种超声速横向射流方案混合特性的数值研究

本文首先发展了AUSMDV格式结合k-ωSST湍流模型的数值模拟方法,利用三维圆孔垂直喷氢实验算例验证了数值方法的可靠性.在确定质量加权平均总压和混合效率作为喷射方案性能评价标准的基础上,基于所发展的数值方法研究了不同喷射方案的混合特性.研究发现：超声速横向射流的近场混合主要由对流输运控制,而远场混合主要由质量扩散控制;圆孔喷射与狭缝喷射造成的总压损失相当,但圆孔喷射的三维绕流特性可使其导致更高的混合效率;圆孔喷射时,喷射角的变化主要影响射流近场的混合程度,喷射角120°为最优的喷射角喷孔间距与喷孔直径的比值增大时,可导致更高的混合效率,但也可相应带来总压损失的大幅增加;采用缩小喷孔面积而保证燃料质量流量不变的方法设计二级喷射方案时,其所引起的总压损失相比于单级喷射的增幅较小,而导致的混合效率增幅较大,因此二级喷射的混合性能优于单级喷射.本文的研究成果可为超燃冲压发动机燃烧室内燃料的喷射方案设计提供依据.     

激波诱燃冲压发动机关键技术研究

激波诱燃冲压发动机作为未来吸气式高超声速飞行器最理想的动力系统之一, 能有效弥补超燃冲压发动机与机身一体化设计所带来的缺点, 缩短燃烧室长度, 减轻发动机结构重量, 在宽飞行马赫数范围内保持较好性能. 对激波诱燃冲压发动机基本原理进行阐述的基础上, 指出了发展这种新型推进系统的关键技术, 并就关键技术的研究现状做了比较详细的综述, 对国内在这方面的研究思路提出了建议.     

多孔介质发动机压燃着火的数值研究

多孔介质发动机能够实现发动机内的均质和稳定燃烧．为加深对多孔介质发动机特性的了解,用改进的KIVA-3V对一种形式的多孔介质发动机燃用气体燃料的工作过程进行了模拟,并讨论了多孔介质初始温度和多孔介质结构及燃料喷射时刻对多孔介质发动机实现压燃着火的影响．针对Zhdanok等人的甲烷预．空气预混合气过滤燃烧的实验,用改进的KIVA-3V进行了数值计算以检验模型的合理性,燃烧波的计算结果与实验结果吻合得很好．计算结果表明在压缩比一定时,多孔介质初始温度是决定多孔介质发动机能否压燃着火的重要因素;改变多孔介质的结构会影响多孔介质内气固两相的换热和多孔介质的弥散作用,多孔介质孔隙大小是影响多孔介质发动机压燃着火的主要因素;在上止点附近起喷燃料不能实现多孔介质发动机的压燃着火．     

大型液体运载火箭POGO动力学模型研究

本文基于键合图理论的建模思想提出新的液体火箭跷振（POGO）稳定性分析状态变量模型,该模型的系数矩阵线性且非奇异,与以往模型相比更有利于实现模块化建模和时域仿真分析.在此基础上通过模型研究给出补燃发动机燃气系统的动力学模型,使该分析模型可以对采用补燃循环发动机的火箭进行POGO稳定性分析,是对目前POGO理论分析模型的一个重要完善.     

多孔泡沫陶瓷材料内甲烷富燃制氢过程的数值研究

采用一维两相体积平均模型和详细的甲烷化学反应机理GRI3.0,对泡沫陶瓷多孔介质内充分发展的富燃及超富燃甲烷重整制氢过程进行准稳态数值模拟,考察燃烧波波速、进口气流速度及当量比三者之间的关系,分析它们对多孔介质内的温度和组分分布以及对氢气产率、甲烷转化率、氢气选择性和CO选择性的影响.结果表明,燃烧波波速随当量比和进口气流速度的增大而增大;当量比为2－3及燃烧波波速大于0.4mm/s时,氢气产率达50%以上,并随燃烧波波速的增加而增大;当量比大于2时,氢气选择性在50%以上;当量比为1.8－2及燃烧波波速大于0.4mm/s时,CO选择性在80%以上.     

超燃冲压发动机燃烧室内湍流燃烧流场的数值模拟研究

应用经显式可压缩修正的SST湍流模型,对超燃冲压发动机燃烧室流场进行了三维数值模拟,并与实验结果进行了对比.通过对燃烧室流场数值模拟结果的分析给出了湍流燃烧流场的特征.为了定量分析超声速流动条件下湍流燃烧的作用特点,基于湍流燃烧理论与湍流燃烧的数值模拟结果,通过对控制无量纲参数在流场中变化的研究发现：超声速燃烧发生的区域为充分发展的湍流区;在喷口附近湍流和燃烧的作用最强烈;超声速燃烧流动中,湍流引起的火焰非定常效应和局部火焰熄灭现象均可忽略,定常火焰面的近似假设是成立的.     

CNG-柴油双燃料发动机排放特性研究

论述了CNG-柴油双燃料供给系统,该系统可以有效地降低发动机的碳烟的排放.通过试验给出了CO、CH、NOx、碳烟随有效功率的变化规律,并从四种有害排放物的生成机理上分析了产生的原因.通过试验比较了在不同负荷下燃用CNG-柴油与纯柴油的排放,分析了燃用CNG-柴油双燃料降低碳烟的原因.根据改造后的CNG-柴油双燃料发动机的排放物的变化规律,合理调整使用参数和组织燃烧过程,将三元或四元催化转换器应用于此双燃料发动机上可望获得良好的排放效果.     

射流频率对转子失速裕度影响的探索

转子叶尖射流能够有效的提高压气机的失速裕度,其中,周期性射流是研究中常见的射流形式.本文的目的在于探索射流频率对转子失速裕度的影响.采用非定常数值方法对不同频率射流作用下的转子流场进行了模拟.对不同频率射流作用下转子失速裕度的对比发现,存在一个转子扩稳的最优射流频率,当射流频率远离这个最优频率,射流扩稳效果逐渐降低.对于本文的转子,最优射流频率与叶尖泄露涡振荡频率之比约为1.5.对98.5%叶高位置叶片负荷的时均分布分析发现,与其他射流频率相比,最优射流频率下转子前缘附近负荷最低,因此能够推迟失速的发生.     

逆向射流火焰稳定机理的研究

在实验的基础上，较深入地探索了逆向射流的火焰稳定机理。通过试验，建立了火焰稳定极限时主流速度Ｖｍ，逆向射流速度Ｖｊ，逆向射流与主流速度比Ｊ和燃料空气当量比Φ之间的准则关系；证实了临界区的存在及其在火焰稳定中的作用；测量了燃烧时流场中的温度分布状况。从流体力学及燃烧理论的基本概念出发，建立了逆向射流火焰稳定的临界区均匀搅拌反应器模型，并以此为基点，最终得到了与试验结果基本一致的逆向射流的火焰稳定准则     

可调冲压喷管变流量固冲发动机工作特性分析

不可调固冲发动机在飞行中常处于非设计工作点,为改善该类发动机工作性能,目前多采用燃气流量调节的方法。若同时调节冲压喷管,则可大幅改善固冲发动机的适应性。本文基于一维气动理论,建立了可调冲压喷管变流量固冲发动机的数学模型,计算得到了其工作特性。分析表明：与不可调固;中发动机、燃气流量可调固冲发动机相比,可调冲压喷管变流量固冲发动机具有工作域大、阻力低、溢流少、进气道总压损失少以及比冲高等优势。     

电控共轨柴油机燃用LNG/柴油双燃料喷油正时规律研究

与传统汽油机和柴油机相比,LNG/柴油双燃料发动机的燃烧过程非常复杂,具有柴油机扩散燃烧和汽油机奥托循环燃烧的双重特点。优化控制引燃柴油喷油正时对双燃料发动机的性能与排放具有重大影响。为了改善电控共轨柴油机燃用LNG/柴油双燃料的动力性、经济性、排放和工作可靠性,在双燃料发动机台架上研究了最大功率引燃柴油喷油正时随掺烧比、功率和转速的变化规律。结果表明:各工况下,掺烧比小于50%时,掺烧比对双燃料发动机最大功率喷油正时的影响较小。小负荷时,最大功率喷油正时随掺烧比的增大而增大;大负荷时,最大功率喷油正时随掺烧比的增大而减小。小负荷时,双燃料引燃柴油喷油正时规律与柴油机喷油正时规律类似,中、大负荷时,与汽油机的点火正时规律类似。     

无焰燃烧模型燃烧室动态特性分析

无焰燃烧技术是一种新兴的超低NOX排放燃烧技术,其优点在于:1)能够同时实现CO与NOX的超低污染排放;2)具有宽泛的燃料适应性,可以燃烧包括中低热值富氢燃料在内的多种燃料;3)燃烧稳定,不存在热声振荡与回火等问题.本文设计了一个采用无焰燃烧技术的燃烧室并对该燃烧室在不同工作模式下的动态压力特性进行测试分析.结果说明,无焰燃烧技术能够在达到极低污染排放同时,仍然稳定燃烧,不发生热声振荡,是一种有前途的超低污染燃烧技术.而当燃烧室中存在值班燃料时,在某些工况下会产生热声振荡.     

大涡模拟在超音速燃烧领域的应用研究

随着大涡模拟技术发展日臻成熟及目前计算机运算速度的提高,大涡模拟已经逐渐由理论研究阶段进入工程实用阶段.采用大涡模拟进行超音速燃烧数值模拟时,必须能够准确模拟小尺度上的燃料/空气湍流混合过程及化学反应动力学过程.本文回顾了大涡模拟中的主要亚网格模型及亚网格燃烧模型,总结了国内外采用大涡模拟在超音速燃烧研究领域的应用情况,为大涡模拟的进一步发展和应用提供参考.     

超声速湍流燃烧火焰面模型理论分析

火焰面模型由于具有物理直观、计算效率高等优点,受到了学术界的高度重视,并逐渐被用于超声速燃烧的数值模拟中．但是,火焰面模型是从低速流中发展起来的,超声速流中火焰面模型假设是否成立,火焰面模型能否用于描述超声速燃烧,亟需澄清和证实．基于此,本文从理论上对超声速燃烧流场中是否存在火焰面模式进行判别．首先讨论了湍流脉动与火焰面之间的相互作用,给出了不同作用程度下所呈现的燃烧机制;然后对超燃冲压发动机燃烧室内部湍流流动与燃烧的特征尺度进行计算和比较,用于判定超声速流中火焰面模型假设是否成立,结果发现对预混燃烧,考虑实际低速回流区／剪切层中脉动速度较低,所有飞行马赫数下超声速燃烧流场均满足火焰面模型假设;对于非预混燃烧,除高飞行马赫数下极小部分燃烧流场位于慢化学反应区外,其余也均满足火焰面模型假设;最后以德国宇航研究中心的支板喷氢超声速燃烧流场为例进行数值计算,以便从定量上对燃烧模式进行细致判别,结果发现超声速燃烧发生的区域为充分发展的湍流区,且整个流场中火焰面模型假设成立．     

基于激光多普勒技术测量研究二甲醚-柴油混合燃料喷雾速度和粒度分布规律

利用激光多普勒技术,对含15%和30%二甲醚的二甲醚-柴油混合燃料以及纯柴油的稳态喷雾的速度和粒径进行了测试,得到了相应的速度矢量图、轴向和径向速度以及喷雾索特平均直径的轴向和径向分布的比较曲线.试验结果证实了二甲醚-柴油混合燃料射流存在气爆雾化作用,且在喷孔附近,混合燃料喷雾具有较大的径向速度,在喷嘴远端,径向速度值的大小和变化率均较纯柴油的喷雾小,粒径分布范围随着增大,而粒径分布趋于均匀,在射流轴线上,轴向速度的衰减趋势则大致相似.随着燃油内DME含量由15%增加到30%,喷雾锥角和射流出口速度均增加,喷雾粒径则减小.     

MILD燃烧的最新进展和发展趋势

MILD燃烧技术同时实现了极低的NOx排放和高的燃烧热利用效率,被国际燃烧界誉为21世纪最有发展前景的燃烧技术之一.然而,由于对MILD燃烧的基础研究不深入,目前普遍存在实现MILD燃烧需高温预热空气的误解,这制约了该技术的进一步应用.基于笔者对MILD燃烧的最新研究和理解,现已初步建立MILD燃烧的一些基本条件,展示了无需对现有工业系统进行过多改动就即可实现该技术的前景,确认了将该技术拓宽到多种燃料（包括气体、液体和固体燃料）、各种燃烧方式（包括扩散燃烧、部分预混燃烧和完全预混燃烧）和多种燃烧应用领域（如燃气轮机、电站锅炉、供热锅炉、内燃机、各种工业加热炉和各种民用燃烧器）的可能性.本文简要地综述了国内外MILD燃烧的发展历史、研究现状和发展趋势,给出了利用MILD燃烧技术进一步发展高效低污染燃烧系统的建议.     

低热值燃料稳定燃烧的研究现状与进展

随着经济的持续发展,我国的能源需求不断增加.即便煤炭产量以及石油进口量都在不断刷新也难以保障能源的安全供给.因此,节约能源,扩大可利用的能源资源范围,对我国的经济建设极为重要.低热值燃料的应用能提高能源利用效率,但其热值低,稳定燃烧难以控制,需要在组织燃烧场、拓展可燃极限、稳定燃烧方面争取技术突破.本文将低热值燃烧技术分成两类进行了综述,一类是优化着火条件,一类是优化燃烧场结构,并介绍了国内外的一些低热值燃料燃烧实例,探讨了这方面的应用基础研究和技术开发现状.