基于敏感性分析的氧/甲烷燃烧反应简化机理

为研究液氧/甲烷火箭发动机中甲烷在纯氧中的燃烧性能,通过敏感性分析方法,得到对平衡温度及组分浓度有重要影响的反应过程,从而构造出一套氧/甲烷燃烧的10步12组分简化反应机理.利用CHEMKIN 4.1中完全搅拌反应器对简化机理进行研究与检验.计算结果表明:简化反应机理在平衡温度和主要组分浓度的预测上与详细反应机理表现出良好的一致性,在较大范围内很好地反映了氧/甲烷的燃烧,为进一步高效准确研究甲烷在燃烧室中的流场奠定基础.      

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。      

O3对射流火焰燃烧特性影响的数值研究

针对等离子放电生成O3对燃烧稳定性的复杂影响,基于数值模拟方法研究了不同O3浓度条件下的甲烷/空气射流火焰形态和典型燃烧组分变化规律.结果表明,O3的强氧化性可以使燃烧反应氧化区提前,火焰向来流方向发展从而起到稳定燃烧的作用;O3的存在能够降低火焰后方的CO浓度,加快热力型NO和快速型NO的生成速率,促进低温燃烧区内N...     

当量比及航空煤油组分含量变化对喷嘴表面结焦积炭影响

针对喷嘴表面结焦积炭问题会对航空发动机整体性能及安全性能产生重要影响,以当量比及航煤组分含量变化作为影响因素,采用动态燃烧实验方式,研究燃烧工况变化和正十六烷及丁基苯在与纯航煤掺混后的混合油中其质量分数的变化对喷嘴表面结焦积炭产生的影响。实验后发现喷嘴表面的结焦积炭量随着当量比的减小呈现出不同的变化趋势,其中喷嘴附近燃烧区温度变化及燃气的卷吸和回流作用增强是影响结焦积炭量变化的主要因素。在本文实验工况下,当掺混比例均为10%时,混合油中丁基苯的质量分数变化对结焦积炭量影响比同掺混比例下正十六烷大19%。并且在SEM(Scanning Electron Microscope)分析后发现,燃油小液滴及游离碳氢微团在燃烧态条件下通过高温裂解结焦过程,在喷嘴表面形成了复杂无序和疏松多孔的网片状结构,包括短丝状焦和颗粒球状焦炭的沉积和附着。因此适当的燃烧当量比及航煤中组分含量的变化,可减少喷嘴表面结焦积炭的沉积附着。     

喷头运动对水下气幕生成特性影响的研究

为了了解充液圆管内喷头运动过程中的气幕生成特性,采用高速摄像技术记录了喷头运动条件下多股燃气汇聚生成气幕过程。在实验基础上,建立了多股燃气射流在受限液体中扩展的三维非稳态数学模型,对实验工况进行了数值分析,气幕顶端扩展位移的计算值与实测值吻合较好。在此基础上,对比分析相同喷射条件下喷头运动与否对水下气幕生成特性的影响,结果表明:喷头运动,抑制了流场回流作用,增强了对气幕前端液体的推动作用,8ms时气幕运动速度由10m/s增大到11m/s;增大了喷头下游流场压力,8ms时运动喷头表面轴向受力增大了18%;降低了气幕顶部中心区域温度,但提高了壁面处温度。     

燃料组分差异对贫油熄火边界的影响

为了推进替代燃料的多元化,扩大航空燃料的组分分布。以标准航空煤油为基准,研究了柴油和高沸点费托油对燃烧室贫油熄火边界的影响。实验采用单头部燃烧室,通过改变燃烧室进出口压力,研究其熄火边界的变化规律,并分析了其与理化性质和组成的关联关系。结果显示在220kPa的出口压力下,航空煤油的熄火性能略优于另外两种燃油,高沸点费托油相比航空煤油熄火边界窄5%,而在140kPa的低压条件下,高沸点费托油的熄火边界相比航空煤油拓宽了8%。分析得到整体上低沸点烷烃和直链烷烃的熄火性能较好。      

两点射流间隔时间对爆震波起爆特性影响的数值研究

为快速、短距起爆爆震波,基于H2/Air 8组分19步反应简化机理,采用两点射流点火的方法数值研究了不同射流管高度差引起的射流间隔时间对H2/Air混合物起爆特性的影响规律.采用与CEA计算结果及实验结果对比的方法验证了数值模拟的可靠性.结果表明,射流间隔时间对两点射流起爆有明显影响.一定射流间隔时间内可以成功起爆,但...     

掺氢功率比对富氢甲烷燃烧振荡特性的影响

为探究工程应用中富氢甲烷对燃烧振荡的影响,在北航BASIS燃烧器上针对富氢甲烷的中心分层火焰展开实验研究。分析主燃级当量比、预燃级当量比、主燃级掺氢功率比(氢气功率与主燃级燃料功率的比值)对燃烧振荡的影响。保持预燃级空气流量为2g/s,主燃级空气流量为10g/s,围绕主燃级当量比、预燃级当量比、主燃级掺氢功率比进行24个工况下的128组试验。试验对火焰压力脉动的振幅与频率进行测量,并结合火焰宏观形状进行分析研究,发现对于大多数当量比的工况,富氢甲烷火焰都处于同一模态,出现火焰分层现象但不产生燃烧振荡。主燃级当量比?_main=0.6与0.55时,富氢甲烷火焰脉动振幅随掺氢比加大,先增后减,分别有42%和32%的工况发生燃烧振荡。?_main=0.5时,燃烧振荡只在高预燃级当量比(?_pilot)、高掺氢比时发生,仅有7%的工况出现燃烧振荡。因此,为实现更大的减碳比例,在不改变燃烧器构型的情况下,大掺氢功率比燃烧需要工作在主燃级和预燃级非常贫油的条件下。在部分工况中,掺加氢气可以在一定程度上减弱热声振荡的强度。     

推进剂组分对固体燃料冲压发动机性能的影响

为研究不同组分推进剂对固体燃料冲压发动机(SFRJ)燃烧性能的影响,以添加了石蜡、炭黑以及炭纤维的聚乙烯(PE)为推进剂,采用连管点火实验装置对SFRJ进行了研究。用扫描电镜观测了燃烧后的燃面形貌。用三维扫描仪和数据重构方法获得了燃速三维分布。根据实验所获数据进一步计算得到不同工况下SFRJ工作性能参数。结果表明:加入5%的炭纤维会阻碍聚乙烯基推进剂燃烧表面的机械剥蚀,影响热解过程,使其无法自持燃烧。通过燃速三维分布发现了开尔文-亥姆霍兹不稳定现象。在聚乙烯基推进剂中添加炭黑和石蜡均能够提高燃速,石蜡影响更明显。石蜡质量分数为30%、50%以及纯石蜡的推进剂比聚乙烯分别提高了375%、514%和544%。最后拟合得到了聚乙烯基推进剂平均燃速与石蜡质量分数呈指数递增关系。     

某航空齿轮润滑喷嘴结构对喷嘴射流特性的影响研究

为了研究喷嘴结构对喷嘴射流扩散角和射流流量的影响,采用基于FLUENT的大涡数值模拟方法对喷嘴三维射流流场进行了二相流仿真和单相流仿真,分别通过高速可视化和喷射滑油称重的方法测量了喷嘴射流扩散角和射流流量,并用测量结果对二相流仿真和单相流仿真进行了合理性验证.当喷嘴长径比大于2且喷孔轴线与喷孔上游管道轴线的夹角在0°~90°之间时沿喷孔轴线距喷孔出口100mm范围内射流扩散角近似为零,且增加喷孔直径、喷孔轴线与喷孔上游管道轴线的夹角或者减小喷孔轴向长度均会引起射流流量的增加.结果表明:当喷嘴长径比大于2且喷孔轴线与喷孔上游管道轴线的夹角在0°~90°的范围内变化时对射流扩散角的影响很小;喷孔直径、喷孔轴向长度和喷孔轴线与上游管道轴线的夹角通过影响局部损失和沿程损失,从而影响喷嘴射流流量.      

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.     

天然气氧化特性的实验与数值计算

在流动管反应器中对压力为0.1 MPa、温度范围为500~1 850 K、当量比分别为0.5、1.0与3.5的工况条件下天然气（90%甲烷/7%乙烷/3%丙烷,体积分数）的氧化过程进行了实验测试。同时,通过全局敏感性分析方法,构建了天然气的简化反应动力学机理（38组分和149反应）,并对天然气的氧化特性进行了数值计算。结果表明：随着当量比增大,燃料发生氧化反应的起始温度与终止温度逐渐升高,CO生成与消耗完全对应的反应温度逐渐升高,NO的生成量逐渐降低。天然气的简化反应机理可以很好地预测天然气氧化过程中主要组分摩尔分数随温度变化的整体趋势;但是在C₃H₈、C₂H₂、NO、NO₂的起始反应温度或摩尔分数峰值的预测上与相应实验值存在差异。     

逆向喷流对双锥导弹外形减阻特性的影响

逆向喷流是一种主动流动控制技术,具有减阻降热特性,可用于高超声速飞行器设计。以典型双锥导弹外形的球头、单锥、双锥（全弹）为研究对象,将喷流发生器和弹体固连,采用CFD方法对逆向喷流的减阻特性进行了数值研究,对比分析了喷流马赫数、喷流压比等参数对不同对象减阻效果的影响。结果表明：逆向喷流流场存在长、短射流穿透两种模态;球头在小压比长射流模态时的减阻效果最佳;单锥和双锥在大压比短射流模态时的减阻效果更好。存在一个最佳压比,使得逆向喷流的减阻效果最佳;喷流压力过大,减阻效果变差,甚至出现阻力系数不降反增情形。逆向喷流减阻效果对控制体选取敏感,若将逆向喷流对头部的减阻特性（超过40%）直接推广至飞行器整机（6%左右）,评估结果过于乐观。综合最佳减阻效果、最佳喷流压比、流量与所需储气瓶体积等影响因素,工程应用时逆向喷流应优先选用声速喷流。     

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.      

芳香烃种类及含量对航空发动机燃烧的排放影响

为了对不同芳香烃种类及含量在航空发动机上表现开展综合评定,对16种芳香烃的3种配比调和燃料开展发动机排放尾气碳烟浓度实验.根据实测颗粒物排放浓度值,对芳香烃的种类与含量增长对排放的影响进行比较;通过线性拟合计算芳香烃特性与颗粒物PM(particulate matters)排放的相关性;结合燃料的能量密度与排放两大重要...     

推力矢量对飞机大迎角动态气动特性的影响

推力矢量是提高战斗机大迎角动态气动特性,提升其过失速机动能力和飞行品质的重要手段。新一代战斗机的高机动性要求也使气动和推力矢量的融合控制研究日益重要。针对中国空气动力研究与发展中心∅3.2 m开口低速风洞,研制了喷流模拟器和通气动态试验装置,建立了带推力矢量的大迎角动态试验技术。开展了不同减缩频率、不同落压比、不同喷管偏角时的大迎角俯仰振荡运动特性试验研究。结果表明：与无喷流试验相比,带喷流时模型的动态特性均随着落压比和喷管偏角的变化呈现规律性的变化;力和力矩系数形成的迟滞曲线面积随着落压比和偏角的增加而增加;减缩频率的变化对模型的动态特性影响小于无喷流时的影响。总的来说,推力矢量的影响未改变模型大迎角动态特性的基本规律,但是随着推力矢量角度和大小的变化,有规律地改变了模型动态气动力和力矩的变化幅度。     

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.     

环形腔室径向宽度对加力燃油泵内流及性能影响

对某加力燃油泵内部非定常流动开展了系统的数值模拟,研究了不同环形腔室径向宽度条件下泵的外特性和内流特征.计算结果表明,缩小径向宽度可有效提高泵在不同流量下的扬程,且小流量工况增幅显著高于大流量,明显改善了小流量工作的不稳定性.对于大流量工况,环形腔室截面变小导致腔室内循环流量降低、沿程损失明显减小,是泵出口扬程提高的主要因素;而对于小流量工况,环形腔室截面变小使得扩散管主流贴近环形腔室,显著降低了叶轮流道扬程损失,有效提升了泵出口扬程.