考虑自然对流的厚交换层液滴蒸发模型及其检验

两相模型对航空发动机燃烧室数值模拟的准确性至关重要,液体燃料的蒸发特性是两相模型的一个关键因素,为了得到准确合理的两相模型从而为燃烧室的设计提供依据,采用悬滴法实验研究了甲醇、煤油及航空煤油液滴在静止环境下的高温蒸发现象,并得到了液滴蒸发速率随环境温度的变化规律。比较实验数据与已有液滴蒸发模型计算结果,发现二者具有较大差距,分析认为已有模型应该考虑静止环境中自然对流对液滴蒸发的影响。在前人工作基础上,用考虑自然对流浮升力因素的厚交换层理论对静止环境下液滴的高温蒸发进行理论推导,得到新的蒸发模型。采用本文实验结果及文献液滴蒸发实验数据对新模型进行了检验。对于甲醇和煤油,在本文的实验工况下,新模型计算结果与实验结果具有较好的一致性,与实验的相对偏差不超过20%;对于煤油,新模型计算结果与文献实验结果的相对偏差不超过10%。     

环境压力对双组分运动液滴蒸发特征影响的理论研究

为获得亚临界条件下,环境压力对双组分运动液滴蒸发特性的影响规律,基于多组分液滴蒸发模型,对癸烷—乙醇二元混合液滴在高温氮气环境下的运动蒸发过程开展模型研究。通过模型计算,获得了液滴内部浓度分布、温度分布和液滴速度随时间的变化;分析了在环境压力0.1MPa和2MPa下,不同浓度液滴温度、尺寸及表面乙醇浓度的变化特征。结果表明:双组分液滴运动蒸发过程中,内部存在显著浓度和温度梯度,传热扩散快于传质扩散。常压环境下,液滴温度经历瞬态加热和平衡蒸发两个阶段,而高压环境下,液滴温度逐渐升高至接近环境温度。双组分液滴蒸发过程中由于组分浓度随时间变化,其无量纲尺寸随时间变化明显偏离"d 2理论";环境压力越高,液滴运动的贯穿距离越短,蒸发速率越慢。乙醇浓度对液滴蒸发速率的影响有两方面:蒸发前期,乙醇浓度越高,液滴蒸发速率越快;而蒸发后期,乙醇浓度越高,液滴蒸发速率反而越慢。     

几种液体燃料指数蒸发率模型的实验研究

燃烧室设计需要精确的气液两相质量传输关系,通过显微高速摄影测量了电加热炉中的悬挂液滴蒸发情况,得到了不同环境温度和气体组分条件下乙醇、煤油等五种液体燃料的定量蒸发率关系。经数据检验实验方法可行,最大相对误差不超过5%。实验数据对比表明,常用的两相质量传输规律在燃烧室工作温度范围内有明显偏差。提出指数蒸发率模型,航空煤油等燃料的模型值与实验值的标准差小于0.23。     

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。      

氢气添加对RP-3航空煤油着火特性的影响

为了揭示可燃小分子气体H2添加对RP-3航空煤油着火特性的影响,采用激波管实验装置对RP-3航空煤油的着火特性进行了实验测量,获得了多工况下RP-3航空煤油的着火延迟时间。以RP-3航空煤油的正癸烷、甲苯和丙基环己烷三组分模拟替代燃料的燃烧反应机理为基础,构建了RP-3/H2混合燃料的Zeng-Jachimowski燃烧反应机理,并对该机理进行了验证。采用该机理对RP-3/H2混合燃料多工况下的着火延迟时间进行计算与分析,结果表明:Zeng-Jachimowski机理可以较好预测高温条件下RP-3/H2混合气着火特性;当H2添加比小于70%时,着火延迟时间随H2添加缓慢减小,当H2添加比大于90%时,RP-3航空煤油/氢气混合气活性显著提升,着火延迟时间随H2添加急剧减小;通过对H,OH和O活性自由基的浓度及H自由基生成速率ROP分析解释了H2添加对RP-3航空煤油着火延迟时间的非线性影响。     

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.      

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。     

活性粒子对航空煤油着火特性影响机理分析

为了研究等离子体中的活性粒子(OH自由基)对航空煤油着火特性的影响,选择正癸烷骨架机理作为航空煤油替代燃料.用零维均质完全混合模型和零维完全预混模型对等离子体点火和燃烧过程进行计算分析,计算敏感度和各组分摩尔分数来揭示活性粒子的添加对正癸烷着火特性的影响,并采用敏感性分析方法对反应机理进行了适当修正.结果表明:修正后机...     

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。     

小分子燃料对RP-3航空煤油燃烧作用的数值研究

为研究小分子燃料对RP-3航空煤油燃烧的影响,选择合理的RP-3航空煤油替代燃料详细燃烧模型开展工作,该模型能够精确预测RP-3航空煤油和小分子燃料的燃烧特性。以六种重要的小分子燃料H2,CH4,C2H4,C2H6,C3H6和C3H8分别与RP-3航空煤油按1:5的比例(摩尔分数)掺混形成的六种混合燃料(Blended Fuel)为研究对象。在当量比为1.0,压力分别为0.1 MPa和1 MPa下系统模拟了RP-3航空煤油及六种混合燃料在高温下的燃烧特性,分析了各种混合燃料的自点火、燃尽时间、绝热火焰温度、熄火温度、组分浓度变化,并结合ROP(Rate of Production)分析方法,分析了小分子燃料对OH自由基生成速率的影响。结果表明,C2H4将RP-3航空煤油的点火延迟时间缩短了近4.6%;C3H6则将RP-3航空煤油的点火延迟时间推后了8.4%;C2H4和H2对RP-3航空煤油的快速点火和稳定燃烧有着积极的作用,其中C2H4的作用最为突出。     

Thick exchange layer evaporation model with natural convection effect and evaporation experimental study for multicomponent droplet

In order to investigate the high-temperature evaporation characteristics of multicomponent liquid fuel, three kinds of blended fuel: n-heptane/n-decane/RP-3 aviation kerosene-ethanol were experimentally studied with and without forced convection. Further, based on zero-diffusion and infinite diffusion concept, this study expanded Thick Exchange Layer evaporation model with Natural Convection effect (NC-TEL) to multicomponent liquid fuels. The experimental results show that the droplet evaporation rate increases significantly with the increase of ambient temperature. Higher temperature leads to more significant relationships between the composition ratio and the evaporation rate. The effect of forced convection is not obviously under the circumstance in this paper. Then, the evaporation models were validated by experimental data. In general, the new NC-TEL model behaves better than the Ranz-Marshall (R-M) model, and the prediction accuracy at high temperature is improved by 8% to 35%. In lower temperature conditions, the prediction of zero-diffusion NC-TEL model is better than the infinite diffusion NC-TEL model. In high-temperature conditions, for n-heptane-ethanol droplet, the predictions of NC-TEL model are accurate, but for n-decane/RP-3 aviation kerosene-ethanol, the predictions are lower than experimental results. This may be caused by the micro-explosion phenomenon and the Marangoni phenomenon.     

乳化油的蒸发和燃烧研究

本文从理论和实验两方面研究航空煤油和0~#柴油乳化液的蒸发和燃烧特性。结果表明,乳化油燃烧时出现的微爆现象能明显缩短油珠的生存期,对提高燃烧效率和强化燃烧十分有利;乳化油的燃烧,也为抑制氮氧化物和微碳粒的生成提供了有利的条件。文中也详细讨论了主要工作参数对微爆过程的影响,对乳化油的工程应用有参考价值。     

A new stationary droplet evaporation model and its validation

The liquid droplet evaporation character is important for not only combustion chamber design process but also high-accuracy spray combustion simulation.In this paper,the suspended droplets' evaporation character was measured in a quiescent high-temperature environment by micro high-speed camera system.The gasoline and kerosene experimental results are consistent with the reference data.Methanol,common kerosene and aviation kerosene droplet evaporation characteristics,as well as their evaporation rate changing with temperature,were obtained.The evaporation rate experimental data were compared with the prediction result of Ranz-Marshall boiling temperature model (RMB),Ranz-Marshall low-temperature model (RML),drift flux model (DFM),mass analogy model (MAM),and stagnant film model (SFM).The disparity between the experimental data and the model prediction results was mainly caused by the neglect of the nat ural convection effect,which was never introduced into the droplet evaporation concept.A new droplet evaporation model with consideration of natural convection buoyancy force effect was proposed in this paper.Under the experimental conditions in this paper,the calculation results of the new droplet evaporation model were agreed with the experimental data for kerosene,methanol and other fuels,with less than 20％ relative deviations.The relative deviations between the new evaporation model predictions for kerosene and the experimental data from the references were within 10％.     

多组分液滴蒸发过程的理论模型及试验研究

建立了多组分液滴蒸发过程的理论模型，通过该模型计算了不同浓度的酒精液滴在静止环境中的蒸发过程，计算结果与试验结果基本一致。计算和试验结果表明：在蒸发过程中，液滴中酒精的浓度不断下降，受其影响液滴的蒸发速率也不断下降；酒精浓度和环境温度越高，液滴的蒸发速度越快。酒精液滴蒸发过程中，无量纲面积与时间不再是线性关系，这是与单组分液滴蒸发过程的本质区别。     

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.      

正癸烷作为航空煤油雾化过程代理燃料的研究

对航空煤油和单组份碳氢燃料正癸烷的雾化性能进行实验测试,研究在部件燃烧特性验证阶段,正癸烷作为航空煤油雾化过程代理燃料的可行性.结果表明:在室温条件下,经过旋流器的气流压力降分别为0,500,2000Pa,供油压力从0.1~1.0MPa间隔0.1MPa均匀变化,使用马尔文激光粒度仪测量旋流器下游点火器位置处两种燃料的雾化索太尔平均直径.对于两种燃料,供油压力大于0.5MPa后,SMD变化缓慢,此时两种燃料的雾化过程基本完成,雾化索太尔平均直径均介于30~45μm之间.相同气流压力降下,正癸烷的雾化SMD比航空煤油稍大,这与其更高的黏度和表面张力有关;供油压力大于0.5MPa后,两种燃料的雾化SMD非常接近.在对实验数据进行拟合分析的基础上,获得了航空煤油和正癸烷在旋流中的雾化SMD经验关系式,发现拟合系数的相对差异约为7%,可将正癸烷经过适当的修正之后做为航空煤油雾化的代理燃料.      

RP-3航空煤油低温氧化特性的试验与数值计算

在射流搅拌反应器(JSR)中对压力为0.1 MPa、温度范围为550～1100 K、当量比分别为0.5与1.0、滞留时间为2 s的工况条件下RP-3航空煤油及由正癸烷(摩尔分数为0.14)/正十二烷(0.1)/异十六烷(0.3)/甲基环己烷(0.36)/甲苯(0.1)组成的模型燃料的低温氧化过程进行了试验测试.同时,通...     

超（近）临界压力航空煤油RP-3的拟过冷沸腾传热特性

为了研究吸热型碳氢燃料在新型飞行器中的再生冷却性能,采用电加热方式,在热流密度0.1-1.0MW/m2和质量流速500-1000kg/m2s条件下,小通道圆管内（D=1.6mm）研究了超（近）临界压力下（P=3MPa）航空煤油RP-3的拟沸腾流动传热特性。研究发现了超（近）临界压力航空煤油的拟过冷沸腾传热现象。拟过冷沸腾壁温变化特征和传热恶化特征与亚临界压力下的相应特征存在差异。超临界压力航空煤油传热区域划分为类液态强制对流传热区、拟过冷沸腾区和类气态强制对流传热区。拟过冷沸腾壁温和传热系数随流体温度增加而缓慢增加,起到传热强化的作用;拟临界温度区域,存在传热系数极小值点,燃料发生传热弱化;燃料温度大于拟临界温度,燃料处于超临界类气态,传热大幅强化。     

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。