微型燃气涡轮发动机喷嘴雾化性能研究

针对微型燃气涡轮发动机喷嘴的雾化对燃烧室火焰稳定性、温度分布和燃烧效率的影响.对某微型燃气涡轮发动机喷嘴的雾化情况进行了数值模拟,并利用平面粒子图像测速仪(PIV)对雾化流场进行了测试,并与数值模拟结果进行相互验证.结果表明,实验结果与数值模拟结果符合较好.该研究为微型燃气涡轮发动机的喷嘴、燃烧室设计及燃烧数值计算提供理论及试验基础.     

基于微型涡喷发动机的轴对称矢量喷管特性

以微型涡喷发动机为平台进行了收敛型轴对称矢量喷管的数值特性模拟和实验验证。以雷诺时均方程为控制方程,采用SSTk-ω模型研究了在微型涡喷发动机设计状态下轴对称矢量喷管不同几何偏转角下的俯仰推力矢量角特性、推力特性等,并基于该型微型涡喷发动机推力矢量特性实验对仿真模拟结果进行验证和补充。数值模拟和实验的结果表明,喷管出口几何偏转角在0°到20°之间,发动机推力损失较少,且俯仰推力、俯仰推力矢量角与几何偏角具有良好的线性关系。     

微型环形燃烧室数值模拟及优化设计

为了优化微型环形燃烧室的设计方案,利用流体分析软件Fluent,采用RNGk-ε双方程湍流模型分别对两个微型环形燃烧室的内部流场进行了三维的冷态数值模拟,得出了它们的内部流场分布。两个模型分别是采用了航空发动机大型燃烧室设计理论及公式设计而成的燃烧室模型,和已经在实际中成功应用的国外某型微型涡喷发动机燃烧室模型。该文分析两个模型各燃区内计算流场的差异,确定了满足设计性能要求的目标流场,并对原有设计参数进行局部调整,使其流场组织向目标流场靠近。通过此方法,确定了燃烧室优化后的设计参数。     

新型纽扣式涡喷发动机燃烧室数值模拟

为了给超微型燃烧室提供数据参考,对设计的某微型燃烧室的稳态燃烧过程进行数值模拟。采用三维建模,入口参数采用等熵数值计算,考虑了湍流化学反应、热辐射等情况,不仅得到燃烧室稳态工作时的速度场、温度场及各组分浓度分布,而且分析了燃料/空气的流动与回流、燃烧效率以及总压恢复系数的情况,并与实验数据进行对比。计算结果可以较为准确地反映燃烧室的实际燃烧情况。结果表明,燃烧室出口速度约为65m/s,出口温度约1000K,仿真与实验数据契合度高,燃烧室结构设计合理。      

联焰稳流器对驻涡燃烧室性能的影响分析

为考察联焰稳流器对驻涡燃烧室的流场和性能的影响,应用高端数字样机系统进行了设计和数值计算。在典型驻涡燃烧室三维模型上添加了联焰稳流器,分析了2个燃烧室模型在不同进口马赫数条件下的冷态流场结构和总压损失。选取进口马赫数为0.2的工况,对2个模型的燃烧流场进行对比,分析了联焰稳流器对燃烧室性能的影响。结果表明:驻涡燃烧室的NOx排放低于普通构型燃烧室;添加联焰稳流器后,驻涡区能更好地实现与主流区的物质交换,避免因主流速度过快,切断驻涡区与主流区的能量传递;燃烧效率从97%提高至99%,出口温度分布系数从0.92降为0.49;2个模型各冷态工况的总压损失也分别增加2%~12%。     

一种拓宽微型单管燃烧室流量范围的调节装置

为了能够拓宽微型单管燃烧室稳定燃烧的流量范围,设计了一种调节装置.利用CFD软件Fluent对微型单管燃烧室的内部冷态流场进行数值模拟,得到微型单管燃烧室主要结构参数对内部流场形态的影响规律并确定了其主要结构参数.通过冷态数值模拟,得到了调节装置对微型单管燃烧室内部流场的调节作用;通过试验研究,证明所设计的调节装置能够实现对单管燃烧室的稳定燃烧流量进行调节,从而扩大了该燃烧室的稳定燃烧流量范围.     

微燃燃烧室流场结构及燃烧特性的初步优化

为了改进微型燃气轮机结构,优化燃烧室性能,采用UG及Ansys软件对微型燃气轮机燃烧室进行几何建模、网格划分、数学及物理模型建立。通过热态数值模拟,研究了叶片数目为12、18、24、30以及叶片安装角度为40°、45°、50°、55°时的燃烧室内流场及燃烧特性。模拟结果得出:随叶片数目及安装角度的增加,燃烧室内甲烷燃烧效率基本不变,均可达99%以上,总压恢复系数降低,出口温度分布因子降低,圆筒内壁温度升高,但一氧化氮排放无法降低。最终选择叶片数目为24、安装角度为45°作为优化结果。     

涡喷加力燃烧室湍流两相燃烧数值模拟

采用无结构网格技术,对具有环形火焰稳定器的三维涡喷加力燃烧室的湍流燃烧过程进行了数值模拟,运用离散相方法和Arrhenius-EBU化学反应模型得到了合理的温度和浓度场分布.在此基础上,比较了一步反应和两步反应机理下的温度场和浓度场,研究了火焰稳定器形状对总压恢复系数和燃烧效率的影响,计算结果与实验值符合较好.     

燃空当量比对液体燃料无焰燃烧影响的研究

以微型燃气轮机为应用背景,设计了基于液雾无焰燃烧的模型燃烧室,以实验为主、数值模拟为辅的手段研究了0#柴油/空气的燃空当量比对模型燃烧室的流场结构、燃烧模式、无焰燃烧范围、燃烧温度及分布和污染物排放的影响.结果表明:燃烧室流场呈现明显的环形回流涡,为高温烟气循环提供了流体动力学基础;燃料喷孔附近的混合情况对整个燃烧模式的转变具有重要影响;该燃烧室工作在无焰燃烧模式的燃空当量比Φ范围为0.25～0.50,无焰状态下燃烧室内温度分布均匀;燃烧室平均温度Tavg和污染排放受到Φ和输入功率的影响,在实验范围内,输入功率相同时,随Φ减小,燃烧室平均温度降低,CO和NOx排放浓度增加,另外,Φ相同时,输入功率越低,Tavg越低,CO排放浓度越大,且输入功率越低CO排放浓度增长越快,NOx受输入功率的影响相对小得多.从实验结果分析,适当提高空气预热温度是增强低燃烧室热密度时的贫燃稳定性、拓展贫燃极限和强化燃烧的有效措施.     

基于CFX的微型喷气发动机燃烧室流态研究

10 cm量级的微型喷气发动机具有广泛的应用前景。紧凑的结构使其燃烧室中回流区的形成及冷却气的混合距离有限,导致燃烧室出口温度过高。基于ANSYS/CFX程序平台,对一种直流环形燃烧室的流态进行了数值模拟。通过对流场结构的分析,讨论了射流孔的不同流量分布对回流区和混合区的影响,并研究了燃烧室入口不同流量对射流孔流量分布的影响。结果表明,数值模拟能反映出燃烧室流态的变化,对微型喷气发动机燃烧室的结构设计具有重要的工程应用价值。     

AVC预混燃烧流动特性的数值模拟

为探究先进旋涡燃烧室内湍流燃烧流动特性,应用预混燃烧模型,对燃烧室内燃烧及流动过程进行了数值模拟。得到了燃烧室内温度场及流场的分布情况。分析了不同燃气当量比、燃气速度和燃气温度对燃烧室预混燃烧流动的影响规律。结果表明:燃烧室内凹腔及后钝体回流区是主要燃烧区域,主燃区可形成均匀对称的旋涡对;不同工况参数对燃烧室内温度、组分和流场分布有影响。凹腔内温度随进气速度增大而增加,燃烧室内温度和出口径向温度随燃气温度增大而增大,且在不同工况下,凹腔内都能维持较高的点火温度。     

WP6航空发动机改柴油适应性数值研究

采用数值计算方法,利用概率密度函数(PDF)燃烧模型对WP6航空发动机由煤油改柴油的适应性进行了研究。分别得到使用航空煤油(RP-3)和0号柴油燃烧室的流场、温度场、总压力损失、出口温度分布、污染物和燃油蒸发过程等燃烧特性。研究结果表明:当航空煤油改为0号柴油,燃烧效率降低约3.6%和CO排放量在最大工况下增大约7.5倍;出口温度分布和总压损失差异分别在1%、2%之内。以上结果为WP6航空发动机改地面柴油型燃气轮机设计提供重要的技术支持。     

斯特林发动机天然气扩散燃烧数值模拟

应用数值模拟,对斯特林发动机中天然气的燃烧进行二维模拟.空气预热温度、旋流数和过量空气系数对斯特林燃烧室速度场、温度场分布以及排放有重要影响,通过模拟燃烧室速度场、温度场的分布,以及NO_x和CO_x的浓度场分布,分别对这些参数进行优化.模拟结果为抑制NO_x和Co_x的排放和进一步提高换热效率以及发动机的效率提供参考.     

燃气涡轮发动机燃烧特性的数值模拟

运用计算流体动力学(CFD)对燃气涡轮发动机燃烧室内的燃烧特性进行了数值模拟,对燃烧室内的温度分布、污染物NO、生成物CO_2以及辐射强度进行了详细的分析对比.研究结果表明:在燃气涡轮发动机的燃烧过程中,初始条件下,在燃烧室的中部和尾部出现了高温区,在燃烧室的出口处生成了大量的NO,燃烧室内整体CO_2生成量较多,辐射强度呈现阶跃式升高的态势,在燃烧室出口处辐射强度最大;燃料浓度和氧气浓度降低时,燃烧室内的温度降低,NO和CO_2的生成量减少,从而使燃烧室内辐射强度大幅降低,且燃料浓度的变化对辐射传热的影响较大.     

微燃烧涡轮发动机微燃烧室催化氢燃烧模拟分析

为揭示微燃烧室催化氢燃烧机理,根据质量守恒、动量守恒、组分守恒和能量守恒的基本规律建立微燃烧涡轮发动机微燃烧室催化氢燃烧数学模型,并耦合表面催化详细化学反应机理对不同过量空气系数n下微燃烧涡轮发动机微燃烧室燃烧进行模拟与分析。研究结果表明:混合气体在微燃烧室的入口角度和入口速度对微燃烧室出口烟气温度无明显影响;当n1.0时,出口烟气温度升高,燃烧室压强增加;当n≈1.0时,出口烟气温度最高,燃烧室压强达最大值;当n1.0时,出口烟气温度降低,燃烧室压强减小;当n1.0时,n的增加对水蒸气质量分数增加影响较大;当1.0≤n≤2.9时,n增加会导致氧气质量分数和氮气质量分数均呈递增趋势,而水蒸气质量分数却呈递减趋势;当2.9n≤4.3时,n对氧气、氮气和水蒸气的质量分数影响不大。     

霍戈文内燃式热风炉传输现象

利用CFD仿真对首钢1780m3霍戈文内燃式热风炉进行了数值模拟分析,主要研究了空气和煤气混合前在矩形燃烧器中的流动,混合气体在燃烧室的燃烧、含量分布、温度分布、火焰形状以及拱顶的速度分布和温度分布. 结果表明:空气喷嘴出口界面和煤气出口截面的流场都存在一定程度的不均匀性;沿燃烧室宽度方向,火焰高度变化剧烈;拱顶出口截面残余极少量的一氧化碳,蓄热室表面烟气速度分布不均,最高温差也很大.     

小型航空发动机燃烧室热辐射环境数值模拟

发动机燃烧室中高温气体和粒子对内壁面的辐射传热占总传热量很大一部分,对发光火焰来说能够达到总传热量的80%,有关资料表明发动机燃烧室内气体和炭黑辐射热流能达到2.3×10~5W/m~2,所以在先进航空发动机燃烧室的设计中需要可靠的数值仿真支持。文拟对某小型航空发动机燃烧室结构进行适当简化,并利用商业软件FLUENT数值仿真方法计算其典型工况下燃烧室内温度、组分浓度场以及壁面热流,对计算结果进行对比分析,结果表明在发动机燃烧室中考虑燃气的辐射效应使得燃烧室内最高温度降低了5%以上,使得流场的温度梯度降低,对其他各物理量的分布也具有重要的作用。     

汽车加热器内燃烧的数值模拟

利用AVL公司开发的FIRE软件,对一典型结构蒸发混合式汽车加热器燃烧室内的燃烧过程进行了数值模拟.其中,蒸发和燃烧分别采用Wall Film模型、Coherent Flame模型,氮氧化物(NOx)采用Zeldovich不平衡原理建模,碳烟(Soot)模型为FIRE模型.计算结果及分析表明,一层进气孔布置对燃油蒸汽浓度分布影响很大.加大进气孔直径使进气中心涡流增强,燃油在一级燃烧室中蒸发量增加.主要燃烧发生在二级燃烧室.进气孔切向进气能形成较强的中心涡流,使燃烧高温区主要集中在二级燃烧室的纵向轴心附近.一级燃烧室的周向涡区和二级燃烧室上半部的高温区是Soot生成速率最大的部位;最高燃烧温度未达NOx的生成温度条件,其生成量极少.     

转子不平衡量的微型涡喷发动机轴承动反力分析

高速旋转的微型涡喷发动机转子系统的不平衡量对转子工作状态的影响尤为突出。在考虑陀螺效应的前提下,采用谐响应分析的方法,研究了微型涡喷发动机轴承动反力随转速及不平衡量分布方位角的变化规律。结果表明:转速越大,轴承处动反力越大,不平衡量的大小对轴承动反力影响远大于转速;涡轮和压气机的不平衡量分布方位角为180°时压气机一端轴承动反力最大,而涡轮一端轴承动反力最小。研究结论为减少微型涡喷发动机因不平衡量而产生的振动问题以及防止轴承破坏等提供了重要依据。     

燃烧室形状对直喷柴油机燃烧性能影响的三维数值模拟

为研究燃烧室形状对直喷柴油机燃烧性能的影响,应用发动机燃烧过程多维模拟软件FIRE对4类燃烧室柴油机燃烧过程进行了三维数值模拟.探讨了燃烧室几何形状影响燃烧性能的作用机理.结果显示,燃烧室几何结构对缸内的流场、喷雾以及燃烧特性都有较大影响.缩口燃烧室的缸内流场强度要强于直口燃烧室,进而导致缩口燃烧室的油气混合和燃烧性能要优于直口燃烧室.