含氧生物燃料的雾化性能测试及分析

采用离心喷嘴对含氧生物燃料及其与传统航空煤油RP-3不同比例混合燃料的雾化性能进行测试,并分析了该燃料的组分和理化性质对雾化性能的影响.同时,对含氧生物燃料体积分数在50%以下的混合燃料,发展了具有较高精度的雾化颗粒索太尔平均直径(SMD)预估模型.试验结果表明:随着含氧生物燃料比例的减少,混合燃料的雾化性能得到改善,并且随着供油压差的增大,不同比例混合燃料间的雾化性能差距缩小;供油压差高于1.0MPa后混合燃料的SMD均可达到小于40μm的水平.经分析,目前该含氧生物燃料还不能直接应用于航空发动机,需要通过燃料氢化处理或者飞行器硬件改造,才可用于长远期的未来航空.      

煤基喷气燃料在地面单管燃烧室内燃烧和排放特性研究

为研究煤基喷气燃料的燃烧和排放特性,通过改造的单管燃烧室评估了煤基喷气燃料和石油基RP-3喷气燃料的燃烧和排放特性差异.试验结果表明:煤基喷气燃料具有更加优异的贫油点火和贫油熄火性能,两种喷气燃料的燃烧和排放特性随燃油流量和燃烧室出口温度的改变呈现出一致的变化趋势,在相同质量流量下,煤基喷气燃料的燃烧和排放性能要低于RP-3,在相同燃烧室出口温度时,煤基喷气燃料燃烧时的壁温要低于RP-3.      

正十烷简化机理的构建及其在发动机燃烧数值模拟中的应用

发动机燃烧室中燃料的能量释放与燃烧特性对于发动机设计具有重要作用,为了预测发动机点火包线和贫/富油极限等关键性能,迫切需要发展航空燃料及其典型组分的高精度化学动力学模型。本文针对燃料典型组分正十烷,采用自主开发的机理生成程序ReaxGen构建了其燃烧详细机理（1499种组分、5713步反应）。为了验证机理的合理性与可靠性,在当量比Φ=0.5-2.0,压力P=1-80 atm的宽工况条件下进行了点火延迟模拟验证,结果表明本文提出的正十烷详细机理在较宽的温度、压力和当量比条件下具有较高的模拟精度。为获得适用于发动机燃烧模拟的高精度简化机理,本文基于误差传播的直接关系图方法简化了正十烷燃烧详细机理,得到包含709种组分、2793步反应的正十烷半详细机理。进一步在高温范围（1000-1500 K）,采用路径通量分析方法简化得到含77种组分、359个反应的骨架机理。获得的骨架机理能够合理描述正十烷在高温下的燃烧特性,且该骨架机理尺度规模可用于基于火焰面模型的燃烧数值模拟。基于此高精度的骨架机理模型,结合火焰面生成流形湍流燃烧模型,采用大涡模拟方法进行了航空发动机环形燃烧室单头部扇形的燃烧模拟,初步获得了非稳态流场结构,其中温度模拟结果与实验值基本符合。     

一种高密度碳氢燃料替代模型及其热物性分析

针对一种应用于高超声速飞行器再生冷却的高密度碳氢燃料，提出适用于其超临界态流动及换热特性研究的替代燃料模型。基于实验获得的碳氢燃料高温裂解的产物组分及现有航空煤油替代模型，提出三组分替代模型，以多物性参数分子摩尔质量、密度、运动黏度、比热容和导热系数为遴选指标，通过多目标优化寻出一种替代燃料模型(71.1%反式十氢化萘、19.4%正十二烷、9.5%正十三烷)。基于碳氢化合物的混合热物性参数数据库(NIST SUPERTRAPP)，通过二次开发对替代燃料模型的超临界态热物性进行预测和分析，发现在临界压力2.8MPa，临界温度700K附近，该种碳氢燃料的热物性参数变化最明显，并且随着压力的升高，变化逐渐变小。     

一种新的RP-3航空煤油模拟替代燃料

为了遴选出符合RP-3航空煤油物理与化学特性的模拟替代燃料，综合分析了RP-3航空煤油的物理与化学特性。针对其物理与化学特性，确定了RP-3航空煤油模拟替代燃料的遴选指标（包括摩尔质量、氢碳比、十六烷值与低热值）。针对遴选指标，提出了由正癸烷、正十二烷、异十六烷、甲基环己烷及甲苯等五种组分组成的RP 3航空煤油模拟替代燃料，并对该模拟替代燃料中各组分的摩尔分数进行了优化。同时，对比分析了不同温度下该模拟替代燃料与RP 3航空煤油的密度与运动黏度。结果表明，当该模拟替代燃料中正癸烷、正十二烷、异十六烷、甲基环己烷及甲苯的摩尔分数分别为14%、10%、30%、36%与10%时，该模拟替代燃料的摩尔质量、氢碳比、十六烷值与低热值与RP 3航空煤油的相应数据非常吻合。同时，不同温度下该模拟替代燃料的密度与运动黏度变化趋势与RP-3航空煤油吻合较好。      

RP-3航空煤油与其模型燃料雾化特性的对比试验

为了获得RP-3航空煤油与其模型燃料的雾化特性,在燃油喷嘴雾化激光测试平台上对相对喷射压力分别为200、400、600、800 kPa时,RP-3航空煤油及由14%正癸烷/10%正十二烷/30%异十六烷/36%甲基环己烷/10%甲苯（摩尔分数）组成的模型燃料的雾化特性（雾化锥角、雾化粒度、油滴速度）进行了试验测试,并完成了两者的对比分析。结果表明:随着相对喷射压力的升高,RP-3航空煤油与其模型燃料的雾化锥角与油滴速度逐渐增大,索太尔平均直径（SMD）逐渐减小;随着离喷嘴出口轴向距离的增加,RP-3航空煤油与其模型燃料的SMD值与油滴速度逐渐减小;在各相对喷射压力下,模型燃料的雾化锥角与油滴速度要略高于RP-3航空煤油,SMD值则要略低;但是,两者之间差异较小,说明该模型燃料的雾化特性与RP-3航空煤油有较高的相似性。      

RP-3航空煤油物理替代燃料模型及应用研究

针对现有物理替代燃料构建方法需要大量实验数据来完成多目标优化计算,导致替代燃料构建成本过高的问题,提出了基于分子结构相似来构建物理替代燃料的方法。基于直接匹配分子结构和官能基团的思路,构建了一个能描述RP-3航空煤油主要物理性质的三元替代燃料模型。以正十二烷、2,5-二甲基己烷和甲苯为基础燃料,用以匹配目标燃料的四种官能基团:CH_3,CH_2,CH和苯基。在不同压力、温度条件下测试了替代燃料模型计算密度、黏度、比热容和导热系数等物性参数的精确性,结果表明该替代燃料模型能很好地反映RP-3航空煤油在亚临界到超临界状态下的主要物理性质。最后将得到的替代燃料模型应用于管道对流换热数值模拟中,用以模拟航空煤油再生冷却过程。模拟值与实验值吻合良好,证明了本文替代燃料构建方法的有效性和实用性。     

煤基费托燃料雾化和点火实验研究

为了评价煤基费托合成航空替代燃料的雾化和点火性能,利用单头部矩形燃烧室对国产煤基费托燃料、传统航空煤油RP-3以及二者50:50混合燃料的雾化索太尔平均直径SMD和贫油点火边界进行了实验研究。实验结果显示,常温条件下,三种燃料的雾化SMD和贫油点火边界都有相同的变化趋势,SMD的减小趋势在供油压力达到0.5MPa后变缓,贫油点火边界的扩展趋势在燃烧室压降达到2.0%后变缓;相比航空煤油RP-3,煤基费托燃料的雾化性能和点火性能稍差,通过相互掺混可以得到改善。使用响应面模型(RSM)研究总结了雾化SMD的经验关系式,分析了燃料雾化和蒸发过程对其点火性能的影响。     

RP-3航空煤油五组分模拟替代燃料的层流燃烧特性

为了研究一种RP-3航空煤油的五组分模拟替代燃料（包含摩尔分数为14%正癸烷、10%正十二烷、30%异十六烷、36%甲基环己烷和10%甲苯）的燃烧特性,在定容燃烧装置中对初始温度390K、400K和420K,初始压力0.1MPa和0.3MPa,当量比0.8-1.5的该五组分混合燃料进行了层流燃烧特性的试验。通过对火焰照片进行边界提取和测量,获得了火焰面发展规律、马克斯坦长度和层流燃烧速率,并将试验结果与RP-3航空煤油的层流燃烧速度进行了对比,得出结论：温度升高会促进球形火焰面的传播;压力升高或混合气过浓和过稀都不利于五组分混合燃料的火焰传播。在本文的试验工况下,温度对火焰前锋面不稳定性的影响不明显;随着当量比增加,马克斯坦长度减小,质量扩散的作用逐渐增强而使火焰面变得不稳定;压力升高使火焰前锋面的不稳定程度明显加剧,表现为初始压力较高时火焰面破碎情况严重并出现大量细胞状结构。五组分混合燃料层流燃烧速度的峰值出现在当量比1.2左右,偏离该当量比时,火焰传播速度随着偏离量逐渐减小。通过与RP-3航空煤油的试验数据进行对比,发现在试验工况下,该五组分混合燃料与RP-3航空煤油的层流燃烧速度基本吻合。     

基于替代燃料的航空燃油泵内部空化特性

为了研究以国产大庆RP-3航空煤油为流动介质的航空燃油泵内部空化特性,采用数值模拟的方法研究了高温低压环境下航空燃油泵内部的空化流动.针对航空煤油这种成分复杂的介质,引入替代燃料的概念,选择摩尔分数为74.5%的正十二烷、10%的甲基环已烷、10%的甲苯和5.5%的辛烷构成的四组分替代燃料模拟大庆RP-3航空煤油.计算中采用基于旋转修正的k-ε湍流模型以及Zwart-Gerber-Belamri空化模型,基于实验结果对数值方法进行了验证分析.研究结果表明:基于替代燃料和旋转修正的k-ε湍流模型的数值计算方法能够较准确地预测航空燃油泵的空化特性;忽略大庆RP-3航空煤油空化热力学效应,温度对航空燃油泵空化性能有一定影响,在80℃工况下,航空燃油泵空化性能较差;转速对航空燃油泵空化性能影响较大,航空燃油泵在转速为10000r/min工况下空化比转速最大,空化性能最好.      

液体射流喷入横向气流混合特性研究进展简

 随着低污染燃烧技术的发展,液体射流在横向亚声气流中的液雾混合特性越来越受到关注。因此对液体射流在横向亚声气流中的研究进展进行了综述,综述内容主要包括3个方面：液体射流在横向气流中雾化破碎;液体射流的穿透深度;液雾在横向气流中的散布和输运。大部分研究工作是针对单个直射式液体射流喷入均匀横向气流中的,也有研究考察了燃油脉动、气流不均匀或者旋转气流条件下射流在横向气流中的混合特性,然而对多喷射点或气动雾化直射式喷嘴形成的液雾在横向气流中的混合特性的研究工作开展的相对较少。最后对液体射流在横向气流中的国内外试验研究工作进行了简要的概括。通过对国内外相关研究进展的概括,并且以先进航空发动机低排放燃烧室中的雾化方式为背景,提出了液体横向射流混合特性研究应进一步完善的工作内容。     

液体射流喷入横向气流混合特性研究进展

随着低污染燃烧技术的发展,液体射流在横向亚声气流中的液雾混合特性越来越受到关注。因此对液体射流在横向亚声气流中的研究进展进行了综述,综述内容主要包括3个方面：液体射流在横向气流中雾化破碎;液体射流的穿透深度;液雾在横向气流中的散布和输运。大部分研究工作是针对单个直射式液体射流喷入均匀横向气流中的,也有研究考察了燃油脉动、气流不均匀或者旋转气流条件下射流在横向气流中的混合特性,然而对多喷射点或气动雾化直射式喷嘴形成的液雾在横向气流中的混合特性的研究工作开展的相对较少。最后对液体射流在横向气流中的国内外试验研究工作进行了简要的概括。通过对国内外相关研究进展的概括,并且以先进航空发动机低排放燃烧室中的雾化方式为背景,提出了液体横向射流混合特性研究应进一步完善的工作内容。     

喷嘴损伤对环形回流燃烧室性能的影响

利用Fluent商用软件对模型环形回流燃烧室三维两相喷雾燃烧流场进行了数值模拟，研究了喷嘴损伤引起雾化效果变化对燃烧室性能的影响，采用可实现的k-ε模型模拟湍流黏性、离散相模型（DPM）通过添加UDF(user defined function)程序追踪燃油运动轨迹、正庚烷作替代燃料及层流小火焰模型.计算结果表明:采用的数值模拟方法可以预估实际燃烧室燃烧流场以及喷嘴损伤对其性能的影响，雾化性能变化导致燃烧室出口温度分布不均匀度升高，品质降低，并导致燃烧室燃烧效率降低；当燃油流量降低约19%时，燃烧室性能已不符合运行要求.      

燃气轮机模型燃烧室的大涡模拟

燃烧室内的燃油雾化、蒸发以及和空气进行混合过程对燃烧过程有重要影响。提出1种基于大涡模拟的数学模型来模拟燃烧室内燃料喷射、蒸发和混合过程。被空间滤波掉的亚网格尺度涡对大尺度涡的影响由求单方程SGS湍流模型进行模拟。采用拉格朗日法和蒙特卡洛技术对流场中的喷雾粒子进行采样跟踪,采样喷雾粒子在流场中作为点源项与气相进行质量、动量和能量的双向耦合。提出1个基于SGS湍流动能的双向耦合模型来模拟SGS脉动速度对喷雾粒子运动的影响以及喷雾相对SGS湍流动能的影响。通过对1个同轴模型燃烧室中的喷雾蒸发及混合过程的大涡模拟,将预测结果和试验值进行了比较,预测值和试验值吻合良好,验证了模型的可靠性。     

Review of atomization mechanism and spray characteristics of a liquid jet in supersonic crossflow

The injection and atomization process of a liquid fuel jet is critical for an ignition start of a scramjet engine. Airwall-mounted crossflow injection strategy is widely used in scramjet combustors, avoiding high total pressure loss and allowing the liquid fuel to rapidly undergo atomization, mixing, and evaporation. In this review, research progress on a liquid jet in supersonic crossflow was evaluated from aspects of atomization mechanism and spray characteristics. When a liquid jet is injected into a supersonic crossflow, primary and secondary breakups occur successively. The surface instability of liquid can significantly affect the breakup process. This review discusses the current understanding of the breakup process and spray characteristics of a liquid jet in supersonic crossflow including the mechanism of atomization and the characteristics of distribution and atomization. The development of windward Rayleigh-Taylor (R-T) unstable waves is the main factor in column breakup. The development of Kelvin-Helmholtz (K-H) unstable waves along the circumferential direction of the jet or droplets is the main factor of surface and droplet breakups. The liquid–gas momentum ratio is the most important factor affecting the penetration depth. The span width of the liquid jet is affected by the windward area. Breakup and coalescence lead to a transformation of the size distribution of droplets from S- or C-shaped to I-shaped, and the velocity distribution of the droplets on the central symmetry plane has a mirrored S-shape. The droplet distribution on the spanwise cross-section retains a structure similar to an “Ω” shape. At last, some promising recommendations have been proposed, namely a theoretical predictive model which can describe the breakup mechanism of a liquid jet, the distribution characteristics and droplets size distribution of a liquid jet under a cavity combustion chamber, especially for enthalpy flows with complex wave structures.     

RP-3航空煤油3组分模拟替代燃料燃烧反应机理

提出了一种包括65%正癸烷、10%甲苯与25%丙基环己烷3组分的RP-3航空煤油模拟替代燃料的燃烧反应机理,该机理由150种组分和591个基元反应组成.采用该燃烧反应机理对RP-3航空煤油模拟替代燃料在激波管和定容燃烧弹中的着火与燃烧特性进行数值模拟,并与相应工况实验数据进行对比分析.通过与RP-3航空煤油单组分正癸烷模拟替代燃料的燃烧反应机理进行对比分析发现:正癸烷、甲苯与丙基环己烷3组分替代燃料的燃烧反应机理对着火延迟时间的计算偏差能够控制在5%以内,对层流燃烧速度的计算偏差能够控制在10%以内,计算值明显优于正癸烷单组分替代燃料;进一步采用敏感性分析方法对3组分模拟替代燃料的燃料反应机理进行了适当修正,修正后机理对层流燃烧速度的计算偏差由10%提高到5%以内,能够更好预测所研究参数下的RP-3航空煤油的着火延迟时间和层流燃烧速度.      

新型气动雾化喷嘴喷雾特性的实验研究

对一种新型气动雾化喷嘴的喷雾特性进行了实验研究。该喷嘴的喷雾是由环缝射流和中心旋转射流剪切破碎中心燃油射流而形成。实验用二维激光测速测粒仪对喷嘴下游几个截面上气流和液滴的平均速度和脉动速度,以及液滴的粒度和浓度沿径向的分布进行了测量。研究了中心旋流强度对喷雾的影响。测量结果显示喷雾中心存在低速区和固体涡核,而喷雾边缘具有较高的速度。浓度呈空心分布。喷雾具有很大的湍流脉动。      

超声速气流中液体燃料雾化数值模拟

为了模拟超声速气流中液体射流的雾化,发展了一种液滴破碎混合模型。该模型将Kelvin-Helmhotz(K-H)模型和Rayleigh-Taylor(R-T)波动模型耦合在一起,首先计算R-T波增长模型,当R-T模型不能导致液滴破碎时,然后计算K-H波增长模型。利用该模型对来流Ma=1.94的超声速气流中的水射流的雾化进行了数值模拟。模拟结果再现了超声速气流中射流的雾化结构,计算得到的射流穿透深度、颗粒直径分布和速度分布与实验结果吻合较好。     

吸热型碳氢燃料RP-3替代模型研究

利用广义对应态法则对吸热型碳氢燃料RP-3的5种替代模型的密度、黏度、导热系数和比定压热容进行了数值计算.计算温度变化范围为300~800K,压力变化范围为3~6MPa.结果表明:不同替代模型均能定性重现RP-3在拟临界温度附近的物性急剧变化;由53%正十一烷,18%正丁基环己烷,29%1,3,5-三甲基苯组成的3组分替代模型在预测RP-3物性上表现最优,相对于实验数据,300~700K内密度相对误差均小于0.08;替代模型的相对分子质量越大,预测的拟临界温度越高,对拟临界温度下物性值的影响无显著规律.