正十四烷低温点火及燃烧机理的构建和简化

为了开展燃烧流场数值模拟,构建了包含71个组分391个反应方程的正十四烷低温点火及燃烧骨架反应动力学机理(C14_SK71);采用计算奇异摄动法(CSP)和准稳态假设法(QSSA)对骨架机理进行简化,得到包含44个组分40个反应方程的总包简化机理(C14_Red44);通过实验测得的点火延迟时间、火焰传播速度以及射流搅拌反应器(JSR)组分浓度数据对机理进行了计算和验证。结果表明:该十四烷燃烧机理能够比较准确地预测温度700K~1350K内点火延迟数据,再现中低温条件下的负温度效应(NTC);较好地模拟了当量比0.7~1.4内的正十四烷/空气预混气的层流火焰传播速度,以及温度650K~1050K内正十四烷氧化过程中的组分分布。与现有的正十四烷氧化反应机理相比,该骨架机理和总包简化机理规模较小,为进一步开展燃烧流场数值模拟提供了可用的反应机理模型。     

单管火焰筒内燃烧过程的反应动力学数值模拟

为了建立航空煤油替代燃料的反应机理,并对航空发动机燃烧过程进行详细反应动力学研究,选用正癸烷作为航空煤油的替代燃料,建立了该替代燃料的化学反应详细机理与简化机理。分别采用详细机理与简化机理对正癸烷在激波管中的着火过程、在预混燃烧炉内的燃烧过程进行了数值计算,并与实验结果进行了对比分析。同时,耦合该简化机理与CFD计算软件Fluent,对某单管火焰筒内燃烧过程、排放物及活性中间组分的生成规律进行了详细分析,并与采用C12H23为燃料的单步总包反应机理的计算结果进行了对比分析。结果表明,采用简化机理计算得到的着火延迟时间、反应物与各主要生成物摩尔分数的整体变化趋势与实验数据吻合较好;与采用C12H23为燃料的单步反应机理相比,采用正癸烷为替代燃料的简化反应机理能更好地对单管火焰筒的燃烧与排放特性进行详细的动力学分析。     

基于充分搅拌反应器模型简化详细反应机理

基于充分搅拌反应器(perfectly stirred reactor)模型,改进了相关性分析方法和主成分分析方法的应用方式,对航空煤油(替代燃油)的详细反应机理进行了简化.该详细反应机理由航空煤油替代燃油(80%的正癸烷,20%的1,2,4-三甲基苯组成,以质量计)的反应机理和的NO_X反应机理综合得到,总共包含131种组分,1020个不可逆基元反应.简化工况选为:充分搅拌反应器进口温度800 K、压力101325 Pa、停留时间3 ms、体积为常数、忽略热损失;目标是使得简化机理在绝热的充分搅拌反应器中计算得到的温度和重要组分(CO,CO₂,NO)的摩尔分数与详细机理的计算结果在5%的误差范围内.结果表明,在简化工况宽广的当量比范围内(0.5～2.0)简化机理均能满足设定的目标.      

基于敏感性分析的反应动力学自适应建模方法

为了降低采用基元燃烧模型模拟反应流的计算时间,提出一种基于敏感性分析的自适应化学反应机理简化方法。该方法结合敏感性分析方法与自适应机理简化的思想对详细化学反应机理在不同工况点进行简化,并形成即时简化机理集。在燃烧模拟过程中,对于不同反应工况点使用不同的即时简化机理对反应流进行数值模拟,以替代传统的全局使用单一简化机理的反应流数值模拟方法。基于GRI-3.0机理,采用均相大空间甲烷自燃着火过程对该方法进行了测试;简化机理与详细机理计算结果的比较,证明了该方法的正确性与高效性。     

用准稳态方法建立碳氢燃料点火燃烧的简化化学反应动力学模型

基于“准稳态”方法建立了一套碳氢燃料点火燃烧的化学反应动力学模型简化方法和相应的软件SPARCK,并从甲烷点火燃烧的GRI2.11详细基元反应动力学模型出发简化得出了包含16个组分12步总包反应形式的简化化学反应动力学模型,从庚烷点火燃烧的详细基元反应动力学模型出发简化得出了包含25个组分21步总包反应形式的简化化学反应动力学模型。通过其计算结果与CARM软件导出简化模型的计算结果和典型激波管试验结果的对比可以看出,本文简化得到的简化反应动力学模型能较为有效地再现详细基元反应模型的反应机理,简化模型的计算精度与CARM软件导出简化模型的计算精度相当。与详细基元反应动力学模型相比,简化模型有效地减少了反应组分,在工程计算中有比较好的应用前景。     

一种多代路径通量分析化学机理简化方法

基于路径通量分析,在考虑组分间直接和间接多代相关反应的基础上,建立了一种新型化学机理简化方法。以预选组分为基础,通过计算预选组分直接参与,以及第二代、第三代和第四代间接参与的所有生成反应与消耗反应中其它组分相对于预选组分的路径通量之和,以此决定相关组分及其所参与反应的取舍。用该多代路径通量分析简化法对甲烷及正庚烷反应机理进行了简化,计算结果与详细化学机理、直接关系图简化法简化结果、二代路径通量分析简化法简化结果进行了对比,结果证明了该多代路径通量分析简化法具有更高的简化精度。多代路径通量分析简化法为反应流模拟中大型化学机理的精确简化提供了一种新的解决思路。     

航空发动机燃烧室燃烧过程与排放物生成的反应动力学数值模拟

选用正癸烷作为航空煤油的替代燃料,建立了正癸烷的化学反应详细机理与简化机理(包括50种组分,118个基元反应).分别采用详细机理与简化机理对正癸烷在激波管中的着火延迟时间、在预混燃烧炉内的燃烧过程进行了数值计算,并与实验结果进行了对比分析.同时,耦合该简化机理与CFD计算软件Fluent,对某型航空发动机环管形燃烧室中单个火焰筒内流动特性与燃烧过程、排放物及活性中间组分生成的反应动力学特性进行了详细分析,并与采用C₁₂H₂₃为燃料的单步反应机理的计算结果进行了对比分析.结果表明:采用简化机理计算得到的着火延迟时间、反应物与各主要生成物摩尔分数的整体变化趋势与实验数据吻合较好;与采用C₁₂H₂₃为燃料的单步反应机理相比,采用正癸烷为替代燃料的简化反应机理计算得到的温度场分布更符合实际,其出口平均温度亦更为接近燃烧室出口设计温度;同时,能更为详细了解燃料低温裂解过程及裂解产物、中间产物及主要排放物的生成规律.      

气氧/甲烷与气氢/气氧喷注器燃烧特性对比研究

为了获得气氧/甲烷与气氢/气氧两种推进剂组合燃烧特性的异同,将氢/氧气-气啧注器的设计经验用于气氧/甲烷气-气喷注器设计,在同一燃烧室中针对气氧/甲烷与气氢/气氧同轴剪切喷注器燃烧特性开展了数值仿真与试验研究.结果表明:在喷注器设计参数相似的情况下,气氧/甲烷喷注器尺寸与气氢/气氧喷注器尺寸相当;在相同的燃烧室设计压力、结构尺寸,以及两种推进剂组合均完全燃烧的情况下,要产生相同的推力,气氧/甲烷(混合比3.5)推进剂流量约为氢/氧(混合比6.0)推进剂流量的1.27倍,气氧/甲烷燃烧所需燃烧室特征长度约为氢/氧燃烧室特征长度的1.48倍,气氧/甲烷燃烧室壁面热载约为氢/氧燃烧室壁面热载的一半.     

超声速燃烧数值模拟中复杂化学反应的建模方法

高保真度的数值模拟有助于研究超声速条件下点火、熄火、火焰传播以及稳焰等关键物理-化学过程,推动对冲压发动机中复杂燃烧现象的准确理解与可靠预测。然而,实际发动机中碳氢燃料燃烧导致的广泛时空尺度对湍流燃烧的建模带来了极大的挑战。为此,必须首先解决超声速燃烧数值模拟中复杂化学反应的高保真建模问题。本文对超声速燃烧模拟中湍流-化学反应相互作用模型、机理简化以及求解加速方法的研究现状进行了总结。以典型燃料燃烧建模为主线,介绍了复杂化学反应的高保真建模方法以及不同化学反应机理在超燃模拟中的适用性及其影响。以反应机理三层次保真度评估体系为基础,进一步明确了简化机理在超燃数值模拟中的优势与不足,阐明了动态自适应化学方法在研究超声速条件下细致燃烧过程的必要性和可行性。     

粉煤灰特性及其甲烷催化燃烧性能的试验研究

针对粉煤灰富含氧化硅和氧化铝的组成特性,结合甲烷燃烧催化剂载体的研究现状,提出了一种粉煤灰作为甲烷燃烧催化剂载体的高附加值利用的新方法.对粉煤灰的粒度特性、微观形貌等进行了分析,测试了粉煤灰的甲烷催化燃烧性能,研究结果表明粉煤灰由于其特殊的组成和晶体结构,表现出一定的催化活性.并详细考察了粒度、活性组分负载浓度对以粉煤灰为载体三氧化二铁为活性组分的催化剂性能的影响.     

一种航空煤油数值模拟替代燃料的化学反应简化机理

通过对一种航空煤油数值模拟替代燃料(正癸烷)着火与燃烧的化学反应详细机理(包括67种组分,344个反应)进行反应流与敏感性分析,建立了该替代燃料的化学反应简化机理(包括50种组分,118个反应).分别采用详细机理与简化机理对正癸烷在激波管中的着火延迟时间、在预混燃烧炉内的燃烧过程进行了数值计算,并与实验结果进行了对比分析.结果表明:与实验数据相比,采用详细机理与简化机理计算得到的着火延迟时间、反应物与主要生成物的摩尔分数与炉壁距离的整体变化趋势吻合较好.正癸烷可以作为航空煤油的一种数值模拟替代燃料,同时,所建立的化学反应简化机理能很好的描述正癸烷着火与燃烧的动力学特性.      

RP-3航空煤油燃烧的详细和简化化学动力学模型

建立了一个包含109组分和946个基元反应的煤油燃烧详细化学反应动力学模型,采用"准稳态"假设方法来对其进行简化,得到了包含22组分18步总包反应的简化反应模型.通过与典型实验结果和文献计算结果对比可以看出,简化模型具有较高的准确性,能够准确反映出RP-3航空煤油点火特性,能够用来对煤油燃烧问题进行准确的数值模拟.      

RP-3航空煤油替代燃料简化机理及其验证

选定正癸烷作为RP-3航空煤油单组分替代燃料,建立了一种包含36组分62步基元反应的简化机理.并设计了本生灯预混预蒸发试验系统对RP-3航空煤油的火焰进行了试验研究.同时,采用两种已被验证的煤油简化机理（分别为23步和38步）及62步简化机理对本生灯预混预蒸发燃烧火焰进行数值模拟,并将计算结果和试验数据相对比.结果表明：在轴向,温度和CO₂体积分数呈先上升后下降的趋势,并且温度在距喷口轴向距离为0.020m时达到最大值;而O₂体积分数呈现下降后上升的趋势,并且距喷口轴向距离为0.025m时达到最小值.与38步简化机理和23步简化机理所获得的数据相比,在各工况下,62步简化机理计算所获得的火焰温度分布和O₂体积分数分布与试验数据能很好地吻合;同时,62步简化机理计算的CO₂体积分数分布与试验数据变化规律基本一致,而23步和38步机理的计算结果只能保持和试验数据变化趋势的一致性.因此,选定的正癸烷可作为RP-3航空煤油的单组分替代燃料,并且所获得的62步简化机理能在较大范围内反映RP-3航空煤油的燃烧性能.     

用灵敏度法简化化学反应动力模型

介绍了用于简化化学反应动力模型的灵敏度方法的基本思想与具体方法，然后用该方法来对两个化学反应实例：甲醛氧化反应和一氧化碳／氢气在空气中燃烧的化学反应进行简化，均得到了比较好的结果。     

初始温度对CH4/RP-3航空煤油混合燃料层流燃烧特性的影响

采用定容燃烧实验装置对初始压力为0.1MPa、当量比为0.7~1.5、甲烷体积分数为0、0.4和0.8，以及3种初始温度工况下，CH4/RP-3航空煤油混合燃料层流燃烧特性进行实验研究。获得混合燃料火焰发展图片、层流燃烧速度和马克斯坦长度等,并分析初始温度对CH4/RP-3航空煤油混合燃料层流燃烧速度及燃烧稳定性的影响。结果表明,当火焰拉伸率趋于0时,非线性拟合方法NLM2(nonlinear fitting method 2)能够准确预测拉伸火焰传播速度随火焰拉伸率变化规律,外推可获得较为准确的无拉伸火焰传播速率。初始温度对稀混合燃料火焰传播速度的影响较大,而对化学当量比和浓混合燃料火焰传播速度的影响较小。3种甲烷体积分数混合燃料的层流燃烧速度均随初始温度增加而增加。当初始温度为420K时,马克斯坦长度随当量比减小最快,而当初始温度为480K时,马克斯坦长度减小最慢。在稀混合气和化学当量比工况,随着初始温度增加,混合燃料马克斯坦长度减小,混合燃料燃烧稳定性变差,而在浓混合气工况,各初始温度马克斯坦长度趋于一致,此时,初始温度增加对燃烧稳定性影响较小。      

钛合金放电诱导可控燃爆烧蚀高效车削

钛合金在放电诱导和助燃氧气的共同作用下能通过自身燃烧反应被蚀除,随着助燃氧气压力增大,钛合金蚀除速度增大,但是当气体压力增大到一定程度时会发生爆炸,影响材料成形精度。针对钛合金放电诱导烧蚀高效车削加工提出了基于可控燃爆机理的新加工理念,即通过定量高压复合低压进气系统以实现钛合金在加工过程中处于可控燃爆状态,以增加钛合金蚀除速度。并与只通入低压氧气的加工方式进行对比试验。结果表明:基于可控燃爆机理的车削加工,在保证加工精度的前提下,通过间歇定量高压助燃氧气实现钛合金燃爆的可控高效加工,其蚀除速度远远高于只通入低压氧气的放电诱导烧蚀车削。     

Index allocation for a reusable LOX/CH4 rocket engine

Reusable rocket engines are the core components of reusable launch vehicles, and have thus become a major focus of aerospace engineering research in recent years. In practice, subsystem design is based on the overall index allocation of an engine; therefore, a multidisciplinary optimization approach is necessary. In this study, design of a reusable methane/liquid oxygen (LOX/CH4) rocket engine with a gas generator cycle was investigated using multidisciplinary optimization. Two parameters were chosen as design variables: pressure and fuel mix ratio of the main combustion chamber. Optimization objectives were specific impulse, structural mass, and life cycle cost of the reusable rocket engine, and constraints were assigned to each discipline according to rocket design requirements. Then, an optimization model was developed, and optimal design parameters were acquired for the LOX/CH4 rocket engine. The proposed method is effective for designing the index allocation of reusable rocket engines and takes into account the multidisciplinary nature of complex systems.     

氢氧火炬点火器低压燃烧流动仿真研究

为研究低压条件下氢氧喷注间距及液滴粒径对氢氧火炬式电点火器燃烧流动的影响规律,结合DPM离散相模型,采用6组分16步氢氧反应机理,选取考虑湍流燃烧效应的涡耗散概念燃烧模型进行仿真计算,并将结果与试验结果进行比对,温度结果符合得较好,压强计算偏差在5%以内,验证了仿真模型的准确性。仿真结果表明:低压条件下,氢氧喷注间距增加时,点火器头部内壁温度升高,室压降低,燃烧长度缩短;液氢液滴直径增大时,点火器头部内壁温度升高,室压降低,燃烧长度变长;改变液氧液滴直径对点火器燃烧流动影响较小。      

甲烷摩尔分数及初始压力对甲烷/RP-3航空煤油混合燃料燃烧特性的影响

采用定容燃烧实验装置获得初始温度为450K、初始压力为0.1~0.3MPa、当量比为0.7~1.5以及甲烷摩尔分数为0~0.8工况下甲烷/RP-3航空煤油混合燃料火焰发展特性图片、马克斯坦长度和层流燃烧速度等燃烧特性,分析甲烷摩尔分数及初始压力对甲烷/RP-3航空煤油混合燃料燃烧稳定性及层流燃烧速度的影响。结果表明:当量比为1.3时,随着甲烷摩尔分数增加,甲烷/RP-3航空煤油混合燃料燃烧趋于稳定,初始压力对燃烧稳定性影响较大,随着初始压力增加,燃烧稳定性变差。混合燃料马克斯坦长度随当量比增加而减小,当甲烷摩尔分数增加时,混合燃料马克斯坦长度减小趋势变缓,当初始压力增加时,混合燃料马克斯坦长度减小趋势明显变缓。混合燃料层流燃烧速度随当量比增加呈现先增大后减小的变化趋势。当甲烷摩尔分数为0、0.4和0.6时,随着甲烷摩尔分数增加,混合燃料层流燃烧速度逐渐增大,当初始压力为0.1、0.2、0.3MPa时,随着初始压力增加,混合燃料层流燃烧速度显著降低,随着甲烷摩尔分数和初始压力的增加,混合燃料层流燃烧速度峰值有向当量比大的区移动的趋势。