液体煤油凹槽火焰稳定极限研究

针对所设计的超燃冲压发动机燃烧室,对液体煤油的凹槽火焰稳定特性进行研究。采用概率密度函数紊流扩散燃烧模型、紊流 模型和离散液滴模型,数值模拟了飞行马赫数为5,不同位置和油气当量比喷射燃料的情况。从凹槽前缘喷射燃料,凹槽在富油时火焰稳定范围比较广;从凹槽底面和后壁喷射燃料,凹槽抑制了富油时火焰稳定范围,而在贫油时火焰稳定范围比较广。火焰结构受燃料喷射位置和油气当量比的影响。油气当量比是3.0时,凹槽出现开放型凹槽流动;而其它的模拟情况,凹槽均出现过渡型凹槽流动,这与冷流时凹槽流动类型不同。深入研究凹槽的热流场特性,使凹槽发挥最大的火焰稳定作用。     

壁面冷却空气对贫油吹熄特性影响的激光诊断研究

针对燃烧室中冷却壁面的冷却气膜会影响燃烧室内的流场、改变回流区结构,从而影响贫油吹熄特性这一问题,在一带有气膜冷却的旋流燃烧室上开展了不同壁面空气占比下的贫油吹熄极限测量。结果表明：壁面冷却空气占比达到0.2时,不同燃油流量下,以全局空气流量计算,燃烧室吹熄当量比降低的范围在0.09～0.1之间;以主流空气计算,吹熄当量比降低范围在0.01～0.028之间。为了更加深入研究这一规律的原因,开展了平面激光诱导荧光(PLIF)激光诊断测量,可知引入壁面冷却空气后,OH基更集中分布在靠近燃烧室底部的火焰根部。在稳定火焰工况中,与近吹熄火焰相比,在燃烧室底部附近的火焰中央有大量OH基分布,这将有助于火焰的稳定,并拓宽贫油吹熄极限。米氏散射实验结果表明,引入壁面冷却空气后可使燃油液滴更集中分布在燃烧室底部附近,这将导致根部火焰局部当量比提高,易于形成稳定的火焰。结合所得实验结果,在所使用的旋流模型燃烧室内,加入占比为0.2的壁面冷却空气,可以拓宽燃烧室的贫油吹熄极限,有助于火焰的稳定。研究结果有望对带有冷却气膜的燃烧室的燃烧稳定性调控问题提供一定的理论指导。     

纯净空气液态煤油超声速燃烧室性能研究

液态煤油高热值、高密度,还容易储存、便于携带,在飞行Ma数小于8的飞行条件下,煤油是超燃冲压发动机的理想燃料,如何实现煤油在超声速燃烧室中稳定燃烧是关键。本文在西北工业大学电阻加热超燃冲压发动机实验台上,针对给定的燃烧室,对以航空煤油为燃料的超声速燃烧冲压发动机燃烧室性能进行初步试验研究。实验来流空气总温为870-930 K,总压保持在77 kPa左右,燃烧室进口Ma数为2。同时结合CFD模拟,对3个不同油气比下燃烧室性能参数进行了对比分析。研究结果认为:要成功地实验煤油点火并稳定燃烧,成功设计凹槽及分布位置是关键;选择合适的油气比,可在提高燃烧室性能的同时保持隔离段的抗扰动能力。     

带凹腔的超燃固冲发动机燃烧室的数值仿真

基于一种以PMMA固体燃料的超燃冲压实验发动机的试验,进行数值计算研究。结合结构特性与计算精度选用结构化网格技术、压力基耦合算法、SST k-ω湍流模型、轴对称N-S方程组、二阶迎风格式、单步化学反应对带有凹腔的轴对称固体燃料超燃冲压发动机燃烧室的内流场进行了二维稳态数值仿真。研究结果表明燃烧主要集中在边界层附近,大量的热从反应区通过凹腔回流大涡传输到了凹腔的内部,这样凹腔就提供了持续富燃区域和热源,所以凹腔有增强掺混和火焰稳定的作用;在发动机点火后,燃烧室等截面圆柱段初始内径狭小和不断地热量加入,导致燃烧室出现热壅塞,随着燃面推移等截面圆柱段被打开,热壅塞现象消失;随着燃面推移,激波串的强度逐渐增强,燃烧室中气流的马赫数逐渐降低。     

超燃冲压发动机凹腔内补氧的强化点火试验

在超燃冲压发动机扩张型燃烧室中,对凹腔内局部补氧的点火强化方法进行了试验研究。采用高速摄影手段研究了不同的补氧方式对凹腔内火焰分布特征和燃烧强度的影响,并针对并联双凹腔燃烧室构型,研究了在单侧凹腔补氧条件下向异侧凹腔的火焰传播过程。试验结果表明,采用凹腔内补氧的方式能调节凹腔内的燃料浓度分布、改善凹腔内的燃烧过程,控制燃烧放热强度;稳态燃烧情况下,观察到凹腔驻留火焰的两种存在特征,分别表现为:由回流区热量反馈机制作用下的凹腔局部驻留火焰和燃烧室全局压力反馈影响下的凹腔剪切层火焰。只有在单侧凹腔燃烧建立了全局压力反馈的条件下才能实现凹腔火焰的异侧传播。      

引燃油喷射时刻对着火特性和压力振荡影响的研究

为提高天然气/柴油双燃料船用低速发动机低负荷时的燃烧稳定性、避免高负荷时爆震发生,采用三维数值模拟的方法,研究了实际双燃料发动机中引燃油喷射时刻对缸内混合气的着火/燃烧特性及缸内压力振荡的影响.结果表明:甲烷当量比为0.38的工况,引燃油喷射时刻的推迟会造成缸内甲烷/空气混合气的着火时刻和燃烧相位推迟,缸内压力减小且爆压相位滞后;当喷射时刻推迟至2.0°CABTDC时,缸内压力峰值低于10 MPa,说明燃烧严重恶化,甚至出现失火现象.甲烷当量比为0.50的工况,引燃油喷射时刻的推迟使缸内压力振荡幅度增大且振荡发生的时刻推迟,当喷油时刻推迟至2.0°CABTDC时,甲烷/空气混合气在引燃油喷射之前发生自燃;此外,喷油时刻的推迟会导致火焰发展速度加快且火焰前端燃烧更为剧烈,易在靠近壁面的狭小空间内产生压力振荡.     

化学反应机理对煤油超声速燃烧数值模拟的影响

本文在RANS方法框架下,采用部分预混火焰面模型耦合3种不同的煤油替代燃料的多步机理,对液态煤油在基于双级支板喷注的超燃冲压发动机中的超声速燃烧过程进行了数值模拟研究。来流总温为1231 K,入口马赫数为2.0。液态煤油通过两级十字型布置的支板直喷入燃烧室。煤油替代燃料的化学反应机理分别包括16组分23步反应(Mech.16),40组分141步反应(Mech.40),以及106组分382步反应(Mech.106)。结果表明:化学反应机理对燃烧流场的流动结构和火焰结构均存在着显著的影响。与试验结果相比,包括了低温机理的Mech.40预测的壁面静压分布曲线明显优于另外两种机理。这是因为该机理可以较为准确地预测低温区域的点火延迟时间,并且预估的熄火标量耗散率更大一些。     

氨/氢燃料射流点火船用发动机燃烧特性

为突破氨在发动机中的燃烧局限性,促进氨燃料高效快速燃烧,提出了一种利用氢气射流火焰点燃氨燃料的方案。通过向主动式预燃室供给氢气,进气道内预混氨/氢燃料,实现氨在大缸径船用发动机上的稳定高效燃烧。基于数值模拟计算方法,在改进了Otomo氨/氢机理基础上,探究了进气温度、掺混氢气的质量分数和主燃室当量比对氨/氢燃料着火与燃烧特性的影响。研究结果表明,射流火焰可以在主燃烧室形成燃烧所需的热力学环境和高活性热射流。在当量比为0.4、不掺混氢气的条件下,450 K进气温度可以实现氨燃料发动机的稀薄燃烧,在掺混氢气的质量分数较低时,射流点火对火焰发展促进作用更显著;掺混氢气的质量分数提高至10.0%可以使燃烧相位提前18°,但爆震风险增加;在进气温度为320 K和掺混氢气的质量分数为2.5%条件下,主燃室在当量比最小为0.45时可正常着火,但随着更接近理论空燃比的燃烧,指示热效率略有提升,主动预燃室氢射流点火的燃烧模式在实现氨发动机高效快速燃烧方面具有良好的潜力。     

驻涡燃烧室内涡系分布研究

为清晰了解驻涡燃烧室内流场的涡系分布,对中心驻体为67%燃烧室当量宽度的驻涡燃烧室流场,在驻涡腔无喷射和有喷射两种状况下分别进行冷态数值模拟,详细研究流场内旋涡分布情况.结果表明:流道前部存在4个影响很小、沿流动方向运动、分布于驻体与端壁角区的螺旋状旋涡;流道后部存在1个由2个旋涡构成、面积较大的回流区;流道中部的驻涡区旋涡情况复杂,在驻涡腔无喷射情况下,主流与驻涡区之间悬挂驻留2个稳定的驻涡,驻涡腔内存在不稳定且数目不确定的旋涡;当驻涡腔前驻体有喷射存在时,驻涡腔内形成4个均匀且稳定的旋涡.     

阻塞比对微型钝体燃烧器吹熄极限的影响

开发了一种微型钝体燃烧器,实验和模拟均表明钝体能使吹熄极限扩大5倍以上.采用氢气/空气的详细反应机理,通过数值模拟研究了钝体的尺寸大小,即阻塞比(ζ)对火焰吹熄极限的影响.结果表明:当ζ分别为0.3,0.4和0.5时,吹熄极限分别为20,32和36m/s,即吹熄极限随着阻塞比的增大而增大;当ζ=0.3时,钝体后的回流区太小导致火焰在较小的进气速度下即被整体吹出燃烧室,而对于ζ=0.4和0.5的情况,火焰由于在高速下受到剪切层的强烈拉伸作用而导致熄灭,实验观察也证实了这一现象;由于反应区集中于燃烧室中央,高温气体对壁面的作用减弱,使得不同阻塞比的钝体燃烧器之间的散热损失差别不大.     

低负荷下天然气-二甲醚RCCI发动机燃烧和排放的仿真研究

利用发动机仿真专用软件CONVERGE,研究低负荷工况下当量比、二甲醚喷射比例以及发动机转速对天然气-二甲醚双燃料在分隔式燃烧室中反应活性控制压燃(RCCI)燃烧和排放等性能的影响。以单缸Ricardo E6/MS配备MK.V预燃室的发动机为对象建立仿真模型,通过文献中的实验结果验证了模型的有效性。仿真结果表明,当量比为0.28～0.35时,放热率曲线表现为单个主峰,当量比为0.4～0.5时,放热率曲线表现为双峰;当量比为0.45时,发动机的动力性和经济性较好,NO_x、soot、HC和CO这4类污染物的排放量总体处于较低水平;发动机指示热效率和IMEP都随着二甲醚喷射比例的降低而增加,但二甲醚喷射比例过低时又会出现失火现象,二甲醚喷射比例为15%时,发动机的动力性和经济性最好,且NO_x排放量最低,但HC的排放量较高;在低负荷工况下,转速升高会导致燃烧相位推迟以及燃烧效率降低,甚至出现失火现象,转速为800 r/min左右时,双燃料发动机的燃烧和排放性能都表现得更好。     

多孔介质钝体火焰稳定特性实验研究

提出采用多孔介质材料制作火焰稳定器,利用其通透和弥散性能改善钝体后燃空比,降低钝体引起的压力损失,提高火焰稳定性.通过实心钝体、10和40PPI(pores per inch)多孔介质钝体火焰稳定特性和冷态尾迹测量对比实验发现:多孔介质火焰稳定器可获得更宽的火焰稳定范围;相同燃料和空气伴流条件下,多孔介质钝体后火焰刚性更强,燃烧更充分;实心钝体回流区较靠近钝体,回流区强度较强;多孔介质钝体回流区向下游发展,回流区强度较弱,但空气燃料混合更好.因此多孔介质稳定器关键是要确定合适的孔径,使火焰更稳定燃烧.     

通道间距对微凹腔燃烧器火焰吹裂极限的影响

对微型凹腔燃烧器内H2/Air预混火焰进行了数值模拟研究,且通过实验对计算模型的准确性进行了验证.结果表明未燃燃料量随着进气速度的增大而增多.模拟结果显示:通道间距为1.0,0.8和0.6mm时的火焰吹裂极限分别为26,33和16m/s,呈现出非单调的变化趋势.从流动、传热与化学反应之间的相互作用进行了机理分析.当通道间距从1.0mm减小到0.8mm时,凹腔下游的反应区还没有被凹腔出口处的高速气流吹灭,而上下边界层的汇合点向上游移动.这样,凹腔内未能消耗的燃料有充足的时间在下游高温区内被转换,从而增大了吹裂极限;当间距进一步减小到0.6mm时,虽然上下边界层的汇合点进一步提前,但是由于凹腔出口处的流速过大,下游壁面附近的反应区被吹.这使得下游温度水平较低,凹腔内未能消耗的燃料在通道下游也得不到转换,导致通道间距为0.6mm时的火焰吹裂极限急剧下降.     

氢气超声速燃烧过程的多步简化反应机理数值模拟

为了减少燃烧试验次数和改进超燃冲压发动机结构设计,采用大型模拟软件Fluent,对氢气和空气在超燃冲压发动机内的超声速流动与燃烧过程进行数值模拟。首先对空气和燃料在发动机中的冷混流动进行模拟,然后分别采用一步总包或多步简化化学反应机理,模拟超声速燃烧过程。结果显示,采用一步总包反应机理时,燃料点火容易,得到的燃烧效率也比较高,但是得到的温度偏高;采用多步简化反应机理,不容易点火,模拟过程中火焰易灭,模拟所需要的时间也比较长,但得到的流场与实验过程更接近。     

燃烧加热污染空气对超燃冲压发动机性能影响研究

针对燃烧加热地面试验设备存在的工质污染问题,采用数值模拟方法研究了燃烧加热污染空气对氢燃料超燃冲压发动机性能的影响。以飞行马赫数Ma=6.5,当量油气比ER=0.6为计算基准状态,分别对纯净空气和污染空气来流下氢燃料超燃冲压发动机的整机流场和性能进行了对比计算分析。燃烧化学反应模拟采用了改进的H₂/O₂七组分八方程模型,湍流模型为标准的 k-ε模型,并采用直连式燃烧室试验数据进行了数值方法的验证。研究结果表明:(1)相对于纯净空气来流,污染空气来流下的超燃冲压发动机推力和比冲均有所下降。(2)采用酒精燃烧加热器的前提下,来流参数匹配静温、静压、马赫数时,发动机性能与纯净空气来流下的结果最为接近,而匹配总温、总压、马赫数时相差最大。(3)来流参数匹配总焓、静压、马赫数的前提下,采用氢燃烧加热器时发动机性能与纯净空气来流下的结果最为接近,而采用甲烷燃烧加热器时相差最大。      

基于LPP的多点喷射低污染燃烧室头部方案研究

对设计的基于LPP的多点喷射低污染燃烧室头部方案,对其性能进行了数值研究。头部为中心分级燃烧,设计为同心圆式主、副模分区燃烧方式,主模燃油为多点喷射。应用CFX软件,从冷态流动、热态燃烧和污染物生成等三方面,对该燃烧室模型进行了研究。结果表明：冷态流动时慢车工况的回流区大于起飞工况,从设计上有效避免了回火与自燃的发生;慢车工况燃烧时因为直混燃烧,局部温度可达2400K以上;起飞工况燃烧时,主模燃油蒸发较好,但混合不是十分均匀,主、副模分区燃烧,主模火焰最高温度低于副模;对头部冷却和火焰筒中间1/3壁面应增大冷却效果;燃烧室燃烧效率非常接近100%;两个工况的污染物均集中于副模高温区,但总体生成量均很小。     

贫油预混燃烧室燃烧稳定性的数值研究

对工业燃气轮机所使用的典型贫油预混燃烧室内的不稳定燃烧特性进行了数值研究．应用非定常N—S方程，基于重整化群的RNG k-ε紊流模型及甲烷与空气的单步反应模型，数值模拟了某典型燃烧装置内2种条件下（空气入口速度分别为30和60m／s）的气流流动和压力振荡特性．在2种情况下分别可观察到稳定燃烧和不稳定燃烧，数值再现了由于当量比的扰动产生的不稳定振荡燃烧，所得结果同实验结果吻合很好．在模拟的2种情况下，燃烧可以是稳定的或非稳定的，取决于燃料喷注位置到火焰前沿的迟滞时间．通过改变燃料喷注位置，可使得振荡情况发生变化．所得结果为振荡燃烧的进一步分析和有效控制提供了研究基础．     

回流与火焰拉伸对氢气微尺度燃烧的影响

对火道内置有钝体的微型燃烧器开展了数值模拟研究,以探讨阻塞比(0.3～0.8)对微型钝体燃烧器中氢气/空气混合物燃烧稳定性的影响.采用文献中实验数据验证了所采用的数值模型的准确性,模拟结果表明:氢气/空气混合物的熄火极限随着阻塞比增大而呈先增后减的非单调变化趋势.当阻塞比为0.5时,熄火极限可达最高值,即38m/s.主要原因是增大的阻塞比虽能产生更大的回流区,有利于稳焰,但同时也使钝体附近的速度梯度增大,引起了更强的流体剪切力和反应区拉伸,不利于稳定燃烧.     

液体燃料MILD燃烧的特性及其污染物的排放规律

为了探究液体燃料的中低氧稀释(moderate and intense low-oxygen dilution, MILD)燃烧的特性,采用数值模拟方法,分析了MILD燃烧过程中空气与燃料的入口条件对燃烧室烟气回流比、流场结构和污染物排放量的影响规律.研究结果表明：MILD燃烧室内流场结构对燃料与空气的混合起到决定作用;随着当量比的增加,燃烧室温度逐渐升高,CO的排放量逐渐增大,NO_x排放量也随之增大,当量比为0.9时,NO_x排放量达到峰值;随着空气入口速度的增加,燃烧室中心面温度分布均匀,没有明显的局部高温峰值点,NO_x排放量逐渐减小,CO排放量呈先减小、后增大的趋势,空气入口速度为110 m/s时的CO排放量最小;随着燃料入口速度的增大,燃烧室内峰值温度逐渐升高,NO_x排放量逐渐增加,CO排放量呈先减小、后增大的趋势.     

低旋流CH_4/H_2火焰的燃烧特性及稳定性机制研究

为了研究低旋流CH_4/H_2火焰在不同H_2占比(体积分数)条件下的燃烧特性及稳定机制,对当量比为0.7的CH_4/H_2预混气体进行了数值模拟,分析了CH_4/H_2火焰的自相似特性、流场结构及火焰特性,研究了旋流数对富氢燃料回火性的影响。结果表明:随H_2占比增加,CH_4/H_2火焰仍保持自相似特性,其剪切层强度逐渐增加,内剪切层逐渐向中心低速区移动,火焰锋面逐渐向喷嘴移动,火焰形状由"碗"型逐渐变为"W"型,最后变为"V"型,而轴向、径向速度延伸率以及虚拟原点几乎不受H_2占比影响。在H_2占比从80%增加到95%时,燃料的层流火焰速度变化较大,使得流场结构和火焰锋面位置发生剧烈变化。对于中心低速区的CH_4/H_2火焰,当火焰传播速度等于当地气流速度时,火焰稳定;对于内剪切层区的CH_4/H_2火焰,速度梯度产生的旋流使得当地气流产生向下和向中心低速区移动的趋势,从而火焰产生向上移动的趋势,实现火焰稳定。适当减小旋流数,有利于减小富氢燃料回火发生的可能性。