燃烧室燃烧与排放特性试验与数值计算

为了探寻燃烧室进口空气温度、压力以及油气比对点熄火边界、温升、燃烧效率以及主要排放物摩尔分数的影响规律， 对航空发动机燃烧室在多工况下的点熄火特性、出口温度分布与主要排放物摩尔分数进行了试验测试。分别采用正癸烷的简化 反应机理与C 12 H 23 燃料的单步反应机理，对该燃烧室火焰筒内流场结构、温度场、中间组分与主要排放物摩尔分数分布特性进行了 数值计算，并与相应试验数据进行了对比分析。结果表明：随着燃烧室进口空气温度、压力以及油气比的提高，燃烧室燃烧效率、 温升、出口平均温度与NO X 摩尔分数逐渐提高，而UHC与CO摩尔分数逐渐降低；与采用C 12 H 23 燃料单步反应机理相比，采用正癸 烷的简化反应机理计算得到的火焰筒内流场与温度场分布更为合理，火焰筒出口温度场分布以及主要排放物摩尔分数与相应试 验数据更为接近，计算精度得到较大提高。     

天然气燃料分级燃烧中NO_x排放特性分析

为了获得燃料分级比例与烟气排放之间的变化规律,基于燃料分级概念,结合数值模拟和实验研究的手段对以CH_4为燃料的轴向燃料分级燃烧中NO_x排放特性进行了研究。建立燃料分级化学反应器网络模型,研究了停留时间和燃料分级比例对NO_x排放的影响,对燃料分级燃烧中的NO_x反应途径进行了分析,并通过调节参与再燃的烟气比例分析了二级燃料与烟气的掺混性能对NO_x排放的影响。针对燃料分级模型燃烧器,实验测量了不同燃料分级比例和不同二级燃料流量下的NO_x排放。结果表明,燃料分级缩短了烟气在高温区的停留时间,抑制了热力型NO的生成;在再燃区燃烧反应初始阶段二级燃料与高温烟气形成还原性气氛,通过NO再燃还原了主燃烟气中的NO;在一定的总当量比工况下,燃料分级比例的增加降低了出口的NO_x排放,提高了NO_x排放中NO_2的比例。与二级燃料进行掺混反应的烟气量过少会形成再燃区的局部高温,导致NO_x排放增加。     

基于交叉射流与切向旋流的CH_4柔和燃烧特性对比

轴向分级柔和燃烧器中,采用了交叉射流、切向旋流两种掺混方式,通过实验结合数值计算的方法,从流场和组分分布角度比较了两种掺混方式的掺混特点,从火焰特征、NO/CO排放方面比较了燃烧性能.实验以甲烷为燃料,热功率为16.2~25.9kW,相对切向旋流,交叉射流延缓了燃料、空气的直接混合,燃料、空气燃烧前经回流烟气充分预热和稀释,火焰根部有抬升,反应区体积大,火焰特征更接近柔和燃烧.同时,交叉射流分级燃烧器的污染物排放性能更优,回流比例为0.5、当量比为0.6时,烟气中NO和CO体积分数均仅为4×10-6.     

燃料掺氢对船用天然气发动机燃烧和排放的影响

为研究船用天然气发动机气体燃料中掺入不同比例氢气对燃烧和排放的影响。运用改装的氢气-天然气-柴油三燃料混烧发动机进行台架实验,测试对比负荷特性下掺氢比为0%、5%、10%、15%四个工况发动机排放物中CO、CO2、NO、NOx、烟温等数据,然后针对掺氢比分别为0%、5%、10%、15%、20%、25%的六个工况,运用CHEMKIN-PRO模拟计算点火延迟时间和层流火焰速度。结果显示,随着氢气比例增加,缸内燃烧点火延迟时间缩短,缸内最高温度升高,层流火焰速度增快,掺氢比对NOx排放影响不明显,相同输出功率下掺氢比高的工况CO排放更低,燃料掺氢工况CO2排放低于纯天然气工况。研究认为,燃料掺氢有助于改善船用LNG动力发动机的燃烧和排放,具有较大的研究和应用前景。     

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。      

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。     

RP-3航空煤油/正丁醇混合燃料燃烧机理构建及动力学分析

为探究大分子碳氢/小分子醇类燃料氧化机理,明晰航空煤油/生物质替代燃料的燃烧本质,构建并验证了包含173种组份、720步反应的RP-3航空煤油/正丁醇混合燃料反应机理,并对其在压力为0.1MPa、当量比为1.0、温度为1100,1300,1500K条件下进行了化学动力学模拟分析。结果表明：在低温条件下,正丁醇会延长混合燃料着火延迟期,30%的掺醇比使混合燃料着火延迟期延长了101.3μs;烷烃脱氢后的异构体以及裂解后的小分子基元团都随温度的升高而增多,正丁醇的添加对大分子异构化及裂解过程影响较小;温度的升高使除R1（H+O₂=O+OH）外的大部分反应的敏感性系数显著降低并保持在30%以内。而正丁醇的添加使消耗OH,HO₂等物质的反应的敏感性系数提高,也会影响小分子基元团的摩尔分数。     

CH4/正癸烷混合燃料燃烧特性

为研究CH4/正癸烷混合燃料的燃烧特性及燃烧稳定性,在定容燃烧弹中测量了初始压力为0.1MPa、初始温度为420K、当量比范围为0.8~1.5和甲烷摩尔分数为0~0.8时CH4/正癸烷混合燃料的火焰扩散速度、拉伸火焰传播速度、马克斯坦长度、无拉伸火焰传播速度和层流燃烧速度等,分析了甲烷摩尔分数对马克斯坦长度及层流燃烧速度等的影响。结果表明:当量比为1.3时,随着甲烷摩尔分数的增加,火焰发展末期,前锋面由网格形胞状结构发展为光滑球面,火焰稳定性增强;甲烷摩尔分数增加导致混合燃料马克斯坦长度随当量比增加而减小的趋势变慢,实验研究范围存在临界当量比,当量比小于1.2时,甲烷摩尔分数为0.8的混合燃料燃烧稳定性较差,而当量比大于1.2时,甲烷摩尔分数为0.8的混合燃料燃烧稳定性较好;当量比在1.0~1.3范围内,甲烷摩尔分数为0.2和0.4的混合燃料层流燃烧速度较快,而在实验测量当量比范围,甲烷摩尔分数为0.8的混合燃料层流燃烧速度较慢。      

主/引定时对船用天然气/柴油双燃料发动机燃烧排放的影响

为进一步掌握主燃料天然气的喷射定时(主定时)以及引燃柴油的喷射定时(引定时)对缸内直喷船用双燃料发动机燃烧排放特性的影响规律,按推进特性在25%,50%,75%,100%负荷下进行了纯燃油模式试验,获得了发动机运行及排放数据,并通过有限容积法耦合半隐式法分别就不同主/引定时对发动机燃烧过程、缸内湍流强度以及排放产物的影响进行了数值模拟。结果显示,试验测量的压力及排放数据与对应的数值模拟结果较为一致。主定时比引定时对船用双燃料发动机燃烧排放影响程度更大。主/引定时提前都会引起缸内湍流动能峰值降低,缸内最高爆发压力和最大温度增加。NO排放量随主/引定时每提前2°CA分别上升15.4%和3.5%,而CH4排放量随主定时每提前2°CA降低7.6%,随引定时每提前2°CA升高4.6%。     

正癸烷预混燃烧的详细反应动力学数值模拟

提出了正癸烷预混燃烧的详细化学反应机理,并对正癸烷预混燃烧过程进行了数值计算.同时,详细分析了反应物、主要生成物及多种中间组分摩尔分数的变化趋势,并分别与采用正癸烷与航空煤油为燃料的燃烧火焰的实验结果进行了对比分析.结果表明,正癸烷与航空煤油预混燃烧火焰中反应物与生成物摩尔分数的变化趋势基本一致;通过数值计算所得到的主要反应物与生成物摩尔分数的变化趋势与两种燃料(正癸烷与航空煤油)燃烧火焰的实验值基本吻合,说明该详细反应机理能很好地反映正癸烷预混燃烧过程的详细动力学特性.同时,通过反应流分析发现,正癸烷的消耗主要通过热裂解反应以及H,OH自由基的提取反应来实现.      

生物柴油对双旋流燃烧室燃烧与排放性能的影响

为深入研究燃气轮机燃用生物柴油对其燃烧与排放性能的影响,将生物柴油与柴油按照不同比例进行混合,在双旋流燃烧室90°扇形试验件上进行降压模拟燃烧试验.结果表明:随油气比的增加,燃烧效率和NOx排放快速增加并趋于稳定,出口温度分布系数（OTDF）、径向分布系数（RTDF）、CO排放逐渐减小并趋于稳定;随生物柴油混合比例的增加,燃烧效率、燃烧室温升逐渐降低,OTDF和NOx排放先减小后增加,RTDF和CO排放逐渐增加.随油气比的增加,生物柴油对燃烧和排放的主要影响方面发生变化,影响程度逐渐减弱,不同油气比时存在不同的最佳生物柴油混合比例.      

基于燃烧室多反应器模型的民用涡扇发动机排放预测

选用燃油JetA为航空燃料,建立了简化火焰锋面模型、燃烧化学平衡模型、燃烧动力学模型、燃油雾化模型、燃油蒸发模型及污染排放生成模型.采用基于燃烧室多反应器模型对发动机在不同工作状态下的排放产物NOx、未燃碳氢化合物(unburned hydrocarbons,UHC)和CO进行了计算.结果表明:燃烧室内火焰温度越高,NOx排放量越大.在发动机工作在低转速工况下时,燃油液滴的雾化直径大,造成CO与UHC排放量增加.基于燃烧室多反应器模型计算通用性强、速度快,适合与发动机性能程序相结合,在发动机设计阶段对发动机不同工作状态下的排放产物含量进行预测计算.     

中心分级燃烧室预燃级燃烧性能实验

研究了一种中心分级燃烧室.在某大推力航空发动机慢车工况下,采用单头部矩形燃烧室,进行了燃烧性能实验,考察了预燃级旋流杯套筒扩张角、台阶高度、预燃级气量分配对污染排放、燃烧效率和贫油熄火油气比的影响作用.实验结果表明:慢车工况下,预燃级旋流杯套筒扩张角从60°增大到100°后,NOx排放降低42%,CO和未燃碳氢燃料(UHC)排放均增加2.5倍左右,燃烧效率降低1.75%,贫油熄火油气比从0.0038增大到0.0067;台阶高度减小24%后,NOx排放降低37%,CO和UHC排放分别增加1.5倍和1.2倍,燃烧效率降低1.32%,贫油熄火油气比从0.0042增大到0.0061;预燃级气量分配减小20%后,NOx排放增加13.5%,CO和UHC排放分别降低55.6%和38.9%,燃烧效率增大1.46%,贫油熄火油气比从0.0061减小到0.0051.      

燃料分配方式对微燃机燃烧室燃烧性能影响

提出了一种喷口位置可变采用燃料多点喷射的干式低排放(DLE)微型燃气轮机燃烧室,为了获得值班级与主燃级之间燃料分配方式对燃烧性能的影响,对该燃烧室在不同分配方式下的燃烧性能进行了实验测试与数值模拟。结果表明:燃料喷口位置改变对污染物排放影响不显著;燃料分配方式的改变对温度场和污染物的生成特性有影响,随着两级燃料分配比例的增大,NOx排放量呈现先减少后增加的趋势,存在一个最佳的燃料分配比例使NOx排放最低;燃烧室内存在明显的中心回流区(PRZ),便于点火及火焰传播;热力型NOx的生成量与温度高于1 950 K的区域大小和最高燃气温度有直接关系。所设计的燃烧室在以天然气为燃料的所有工况下NOx排放都可降低到50 mg/m3以下,达到了低污染燃烧室排放标准(小于50 mg/m3)。     

弱旋流燃烧器燃料/空气预混均匀性研究

实施贫预混燃烧技术的关键是保证燃料与氧化剂的均匀混合,避免在燃烧时形成局部高温点而导致NOx排放增加。本文针对弱旋流燃烧器设计了甲烷/空气预混方案,首先通过试验结果验证了数值计算方法的可靠性,然后对当量比为0.7的预混气体进行数值模拟,分析了燃料喷射孔和弱旋流流场特性对掺混的影响机制。结果表明：喷射孔径影响燃料的初始分布,很大程度上决定了在有限空间内可以达到的最终混合效果,对给出的预混结构,存在最佳当量孔径b=0.01及对应的平均动量通量比 J =75.59,使混合效果最优。弱旋流流场由中心直流通量和外环旋流通量共同作用,其中旋流对燃料扩散起主导作用。在保证弱旋流特性的前提下,通过增大孔板阻塞比或旋流叶片几何角的方式能够强化旋流作用,从而提高预混均匀性。     

基于射流搅拌燃烧反应器加压条件下的航空煤油燃烧NOx排放

为了研究碳氢燃料燃烧产物NOx的排放,构建了射流搅拌燃烧反应器(JSCR)试验系统,并经过了初步验证.随后利用该试验系统对航空煤油RP-3的燃烧NOx排放进行了测试,射流搅拌燃烧反应器内压力为2×105 Pa和3×105 Pa,进口温度为650K,当量比范围为0.5~1.2.研究结果表明:在当量比为0.5~1.2范围内,航空煤油燃烧NOx排放先随当量比的增大而增多,在当量比为0.95附近达到最大值,随后减少;NOx排放随压力的增大而增多.同时,验证了该射流搅拌燃烧反应器可作为研究碳氢燃料燃烧产物的基础试验平台.     

连续旋转爆轰燃烧室的性能

利用二维可压缩欧拉方程数值研究了当量氢气/空气在连续旋转爆轰燃烧室(CRDC)中的流场情况,主要考查了不同CRDC周向尺寸下燃料入流总压对增压比、燃烧效率、容积热负荷及其NOx排放等性能的影响.结果表明:当CRDC周向尺寸为150mm时,随着燃料入流总压的提高,增压比基本保持不变,燃烧效率和容积热负荷均呈线性增长;当CRDC周向尺寸为250mm时,随燃料入流总压的提高,爆轰波头数加倍,容积热负荷仍呈线性增长,但是增压比及燃烧效率均出现转折性下降.与传统的等压燃烧室相比,CRDC具有更高的性能.当计算域为250mm×40mm时,增压比高达2.706,大大提高了燃气的做功能力;容积热负荷达到2.18×1010W/m3;而NOx排放质量浓度为0.692mg/m3,保证了低排放的要求.      

航改型双环燃烧室燃烧反应特性试验

针对地面运输用燃气轮机低排放的要求，试验研究了一种双环预混旋流(TAPS)燃烧室在以0号柴油为燃料时的反应特性。结果表明:采用TAPS燃烧室由于空气分配方式的改变，总压恢复系数在0.97以上，高于经典单环燃烧室。由于柴油黏度和燃点的影响，使用柴油为燃料时最低常压点火油气比高于0.05，要比相同结构采用航空煤油为燃料时的点火油气比高，但慢车贫油熄火极限没有明显的变化，维持在0.006~0.008之间。采用压力雾化的预燃级存在燃料混合不均匀的问题，导致燃烧效率只能达到0.99，为要求值的下限，但燃烧室出口温度分布系数小于0.25，达到了所要求的性能指标。由于采用了预混预蒸发燃烧，污染物排放中NOx的干基体积分数为1.76×10-5，明显低于所要求的性能指标，但CO的干基体积分数较高达到了5.02×10-4。综合比较各项性能指标，该燃烧室在点火、贫油熄火、燃烧室出口温度分布和NOx排放上表现出了一定的优势，但燃烧效率低和CO排放高还是需要解决的问题。