碳氢燃料超声速燃烧的化学动力学研究：（Ⅰ）甲烷超声速燃烧的简化化？…

采用雷诺平均Ｎ－Ｓ方程对碳氢燃料甲烷在超声速流动中混合燃烧过程进行了数值研究邮简化的甲烷燃烧的反应机理及反应动力学模型,建立了Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ代数涡粘性湍流模型,采用了高精度的ＴＶＤ隐式格式和化学源项隐式解法,计算结果和氢气／空气超燃的计算结果进行了比较表明所采用的反应机理及计算模型合理,算法可行,就算例结果而言碳氢化合物作为一种超前其的优势,值得进一步深入研究。     

重型燃气轮机燃烧过程的反应动力学数值模拟

为了阐明重型燃气轮机燃烧过程的反应动力学特性,采用Gri_3.0,NUI_Galway与USC_2.0动力学模型对甲烷燃料在定容燃烧反应器中的燃烧特性进行了数值计算,并与实验结果进行了对比分析,确定了甲烷燃料的反应动力学模型;耦合该反应动力学模型与CFD计算软件,对燃用甲烷燃料的重型燃气轮机燃烧室单个火焰筒的燃烧过程进行了反应动力学分析,并与相应实验结果进行了对比分析。结果表明:与NUI_Galway及USC_2.0动力学模型相比,采用Gri_3.0动力学模型计算得到的甲烷燃料多工况下的燃烧特性与实验值吻合较好;在该重型燃气轮机燃烧室单个火焰筒中,在火焰筒头部与主燃区同时存在两个明显的呈对称状态的回流区;在该火焰筒中的高温区域,O,OH与H等活性组分以及CO2的摩尔分数达到最大,而在低温区域CO的摩尔分数达到最大;同时,与实验值相比,采用Gri_3.0动力学模型计算得到的单个火焰筒的出口平均温度略高约4K,热点温度高约197K。     

煤油总包反应机理对超声速燃烧的影响

为考察不同总包反应机理对超声速燃烧数值模拟的影响,以煤油燃料超燃冲压发动机支板加凹腔燃烧室为研究对象,分别采用单步和两步总包反应机理对其燃烧过程进行了三维数值模拟研究.对比分析表明,采用的单步反应机理计算结果与实验值呈现明显差异;而两步反应机理的壁面静压计算结果与实验数据吻合良好,验证了计算过程的有效性.该单步反应机理在前支板处局部反应释热量过大过快,致使超燃室内出现热壅塞现象;而两步反应机理的反应和释热规律更为合理,更逼近真实燃烧过程.     

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。     

带凹腔的超声速燃烧室燃烧流场数值模拟

对带凹腔结构的燃烧室二维甲烷燃烧流场进行了数值模拟.采用迎风3阶精度MUSCL格式求解二维含组分守恒N-S方程,湍流模型采用剪切修正的RNG k-e湍流模型,分别分析了凹腔不同的长深比和导流槽结构对燃料燃烧的影响;对喷甲烷燃烧工况进行了计算研究.结果表明:凹腔可以提高燃烧效率,却使总压恢复系数降低;凹腔的长深比越高,燃烧效率越高,总压恢复系数越低;在总压恢复系数较高的情况下,采用导流槽可进一步提高燃烧效率.     

乙烯超声速燃烧部分预混火焰面模型数值研究

湍流涡结构的作用导致以扩散形式喷射燃料的超声速燃烧过程通常以部分预混的方式进行,为了使火焰面模型对这一燃烧过程描述的更准确,在模型中对扩散燃烧和预混燃烧状态均需要予以合理考虑。基于低Ma条件多区域火焰面模型(MRF)思想,发展得到了适用于超声速条件的部分预混火焰面模型。以碳氢燃料超声速双燃烧室结构作为验证算例,采用k-ωSST湍流模型、部分预混火焰面模型和乙烯(C2H4)的28组分72步化学反应机理对超声速湍流燃烧流场进行了数值研究。计算结果与实验数据吻合良好,验证了模型的准确性。加权系数计算结果表明,在中心剪切层和下壁面附近区域流场主要由预混燃烧控制,而其他大部分区域则由扩散燃烧控制。     

用不同化学反应模型对煤油超声速燃烧的数值分析

采用单步不可逆有限速率化学反应模型,同时结合离散液滴模型、概率密度函数紊流燃烧模型的混合分数平衡化学反应模型,对煤油在双模态燃烧室内的燃烧进行了数值分析。通过比较数值计算结果与实验结果,说明计算所采用的模型是有效的。在给定的计算条件下,与单步不可逆有限速率化学反应模型相比,结合了离散液滴模型的混合分数化学反应模型更能准确地预测煤油在双模态燃烧室内的喷雾燃烧,并且集燃料喷射、混合及火焰稳定为一体的凹槽火焰稳定器增强了燃料的混合和燃烧,使燃烧效率在燃烧室出口达0.880 6。      

乙烯燃烧简化化学动力学模型及其验证

采用“准稳态”方法,从乙烯燃烧的详细化学反应动力学模型出发,建立了包含20个组分和16步总包反应的简化化学动力学模型。为检验动力学模型的有效性,在我国同步辐射实验室燃烧站上开展了乙烯／O2／Ar的层流预混火焰组分测量。应用一维数值方法对实验结果进行了模拟,计算的组分分布和实验测量数据进行了对比。结果表明：简化反应动力学模型能有效地再现详细基元反应模型的反应机理,具有较高精度;但采用乙烯详细化学动力学模型计算结果与实验测量还存在一定的差异,需要进一步改进。     

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。     

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.      

催化重整条件下碳氢燃料热裂解与换热

针对碳氢燃料在再生冷却通道内的热裂解和催化重整反应过程,考虑燃料在超临界压力下的热物性,建立了超临界压力下的流动、换热和反应模型,开展了流动换热、热裂解和催化重整反应的耦合数值研究。结果表明:计算结果与实验吻合良好,能较为准确地预测壁面和燃油温度、燃料转化率和换热恶化等现象。催化重整反应能显著提高燃料的吸热能力,降低出口温度,同时还能抑制热裂解反应的发生。增大流量会降低燃料在通道内的停留时间,降低燃料的转化率和化学反应吸热量。      

HTPB固体燃料冲压发动机流场仿真与燃速分析

基于守恒方程建立了固体燃料冲压发动机燃速仿真模型,采用二维轴对称模型和二方程化学反应模型开展了HTPB(端羟基聚丁二烯)固体燃料冲压发动机流场数值仿真,分析了不同空气来流条件对流场分布及燃速的影响.结果表明:火焰层在氧气和固体燃料壁面之间形成,随着来流空气流量和空气总温的增加,火焰层厚度变薄并向固体燃料壁面侧移动;随着发动机轴向位置的增加,燃速先迅速增加后缓慢增加,最后在补燃室附近快速减小,变化趋势与文献中试验结果吻合较好;固体燃料平均燃速随来流空气总温及发动内空气流率的增加而增大,并根据仿真结果拟合得到了燃速公式.      

低热值气体燃料燃烧室数值模拟与试验研究

以某型航空发动机燃烧室为研究对象,对低热值燃料燃烧室进行了数值模拟和试验研究。采用RNGk-ε模型、小火焰紊流燃烧模型和P-1辐射模型,预估了紊流特性、化学反应速率和辐射通量;应用SIMPLE算法,对离散方程进行求解。计算结果与试验数据比较表明二者基本吻合,这说明计算方法合理,可用来估算低热值燃料燃烧室的燃烧性能。     

Three-dimensional numerical analysis on combustion performance and flow of hybrid rocket motor with multi-segmented grain

This paper presents the combustion characteristics in hybrid rocket motors with multi-segmented grain through three-dimensional numerical simulations. Multi-segmented grain is composed of several thin grains with two or more ports. The numerical model consists of Navier-Stokes equations with turbulence, solid fuel pyrolysis, chemical reactions, a fluid–solid coupling model and a regression rate model. The simulations adopt 90% Hydrogen Peroxide (HP) and PolyEthylene (PE) as the propellant combination. The effects of the rotation, port number, fuel grain segment number and mid-chamber length on the flow field and combustion performances are analyzed. The results indicate that the multi-segmented grain configuration can strengthen the flow field, and the regression rate and combustion efficiency are enhanced. Take the cases with two grain segments and three ports for example, the regression rate is increased by 32.4%−45.1% and the combustion efficiency increases by 6%−8.6% in different rotation angles.     

三组元发动机燃烧稳定性试验

设计了气氢／液氧／煤油三组元双工况模型发动机，对不同燃烧室压力、燃料比例，喷注器的结构，燃烧室长度，混合比条件下的高频燃烧稳定性进行了试验，试验中观察到低频和高频自激燃烧不稳定，有限的试验表明，较大的缩进比和较小的旋流数有利于燃烧稳定，提高燃料中氢气的比例＞10％时，有利于燃烧稳定；但氢气对烃氧燃烧稳定性的提高不是绝对的，氢气在燃料中的比例达39％时，燃烧室内仍存在压力为0．13MPa的压力脉动。     

高温富油燃气超燃试验研究

在空气流量１．２ ｋｇ／ｓ 左右的地面连管试验台上, 进行了模拟飞行Ｍａ＝ ４, ５, ６的三个气流总温状态的碳氢燃料（煤油） 超燃试验。试验用双燃烧室方案, 由突扩型亚燃燃烧室燃烧产生的高温可燃气以马赫数１．２５喷入超燃室, 超燃室空气流马赫数为２．１５ （或２．１３）。不同空气流总温状态下燃料当量比对亚燃燃烧室和超燃燃烧室的试验结果表明, 双燃烧室方案实施煤油的超声速燃烧是可行的。若进一步采取混合增强和合理控制油量分配等措施, 则可提高双燃燃烧室超燃效率。     

旋流对固体燃料冲压发动机燃烧过程的影响

针对旋流数对固体燃料冲压发动机燃烧流场的影响，进行了不同旋流数(s=0,0.2,0.4,0.6)工况下固体燃料冲压发动机直连式试验研究，固体燃料采用高密度聚乙烯（HDPE），并对s=0.6和s=0两个工况进行数值仿真研究.试验和数值仿真结果表明:旋流的引入有助于火焰稳定，对提高补燃室压强和燃速有积极作用.在旋流工况下会使药柱表面热流密度高于无旋流，并使燃烧室中的化学反应更加充分.高强度旋流的引入会使燃烧更加充分，燃烧效率有所提高.      

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.      

超临界碳氢燃料流动换热的一维模型

考虑水平圆管内燃料流动换热过程和裂解反应及结焦过程之间的相互影响,提出一个一维稳态模型来研究碳氢燃料的流动换热过程与裂解反应的耦合特性。选用正癸烷作为替代燃料,裂解反应采用正癸烷裂解的一步总体化学反应模型,结焦过程采用一维结焦工程模型进行数值模拟,结果表明裂解反应能够强化换热。选择不同的管壁面热流密度、进口压力和质量流量等典型工况进行模拟,表明流动换热过程影响燃料裂解反应速率和在管内的驻留时间,从而影响裂解度。计算结果与实验数据的对比表明了程序的可靠性,加上一维程序计算效率高的优点,可将应用于快速工程计算,并为三维数值模拟提供支持。      

燃气轮机双燃料燃烧室流场对比数值研究

针对燃气轮机环管型双燃料燃烧室分别燃用庚烷和裂解气燃料的情况,采用CFD(computa-tional fluid dynamics)技术对其燃烧流场进行对比研究.数值模拟采用了RNGk-ε湍流模型、化学平衡条件下的快速化学反应系统和简单概率密度函数(PDF)燃烧模型、液体燃料的喷雾模型以及SIMPLE算法.模拟对比分析了两种燃料燃烧下的温度分布、燃烧效率、流量分配、壁面冷却效果、空气过量系数等参数,以及它们随工况变化的趋势.所得结论如下:①不同燃料燃烧时,流场内的流量分配基本保持一致;②裂解气燃料燃烧时,其燃烧效率高出燃油状态约1%,但出口温度均匀性较差;③在加入相同化学焓值的燃料进入燃烧室时,裂解气燃料的头部空气过量系数α较大,所得到的出口平均温度低于燃油状态约20～40 K.