活性粒子对H_2/Air混合物燃烧的影响

建立H2/Air混合物燃烧的化学动力学模型,计算与分析了在非平衡等离子体条件下,气体放电产生的活性粒子(O,H)和活性基(OH)在不同当量比下对参与燃烧的组分以及温度和压力的影响,为航空发动机燃烧室等离子体助燃(PAC)实验研究和实际应用提供理论依据.计算结果表明等离子体助燃可以提高反应效率、燃烧温度和火焰传播速率,减少燃烧上升时间,强烈影响H2/Air混合物燃烧.     

碱金属引射对尾流化学动力学和电子密度的影响

用把碱金属（Na）加入到空气尾流中进行数值模拟的方法,研究了碱金属引射对高超声速尾流化学动力学和电子密度的影响。采用的化学反应模型为包括O2、N2、O、N、NO、NO＋、Na 、Na、O2-及e-的10组元模型。计算结果表明,碱金属引射,使尾流电子数密度增加1～3个量级。计算结果与文献中的数据符合较好。     

不同初始温度下等离子体对H2/Air混合物燃烧影响

等离子体助燃过程是一个非平衡的,瞬时的,极不均匀的物理化学过程,活性粒子在等离子体助燃计算中是一个关键难题。文章建立H2/Air燃烧的化学动力学模型,计算与分析了在非平衡等离子体条件下,气体放电产生的活性粒子(O,H)和活性基(OH)在不同初始温度下对燃烧过程中参与燃烧的组分以及温度和压力的影响,为航空发动机燃烧室等离子体助燃实验研究和实际应用提供理论依据。数学模型的计算结果表明等离子体助燃可以提高反应效率,缩短延迟时间,增加燃烧温度,火焰传播速率,强烈影响H2/Air混合物燃烧效果。     

基于FGM和附加输运方程的NO数值模拟方法研究

为研究污染物NO的数值计算方法,对Sandia Flame D火焰的燃烧流场和NO排放进行了数值模拟研究。采用Realizableκ-ε模型捕捉湍流特征,分别采用绝热和非绝热FGM(Flamelet Generated Manifold)模型模拟热力化学特性,辐射模型采用光学薄模型(OTM)。由于NO的生成过程是慢反应过程,FGM模型的控制变量的时间尺度没有包含NO的时间尺度,因此通过求解NO的输运方程进行NO预测,其化学反应源项由FGM数据库直接插值得到。模拟结果与试验进行对比表明:FGM模型能够很好地捕捉燃烧流场的热力化学特征,但在上游富油区会过高地预测CO;辐射对温度、NO及其化学反应源项分布有非常强的影响,但对H_2O,CO_2,CO的影响较小;采用求解NO输运方程的NO质量分数模拟精度明显高于直接由FGM数据库插值得到的NO质量分数,而且非绝热FGM模型得到的NO质量分数的模拟精度明显高于绝热FGM模型的,为精确模拟NO需要考虑NO的动力学特性和辐射效应。     

H2O/CO2污染对煤油燃料超声速燃烧影响数值研究

在纯净空气与H2O/CO2污染空气来流对比试验结果基础上,采用数值计算方法和化学动力学方法,研究了H2O和CO2污染组分对煤油燃料超声速燃烧的影响,获得了试验手段难以得到的燃烧室流场参数和性能数据.完成了相应的煤油燃料超声速燃烧室二维数值计算,其中匹配了进口总温、总压、马赫数、氧气摩尔分数和工作当量油气比.将数值计算结果与相应试验测量值进行了对比分析,并结合燃烧室流场数据、性能参数分析了H2O和CO2污染的动力学影响、以及对燃烧室性能的影响.研究表明:(1)数值计算结果与实验测量值总体上吻合,两种手段均体现了纯净空气来流时不同煤油当量油气比的燃烧室性能,并反映了一致的“污染效应”影响趋势;(2)H2O污染、H2O+CO2污染的存在降低了煤油燃料超声速燃烧室性能,体现在燃烧诱导压升、燃烧效率、流向冲量增量的下降,而且随着污染组分含量的增加,燃烧室性能下降越加显著.     

H2O污染对超燃冲压发动机燃烧室性能影响的三维数值模拟

为了解来流污染对超燃冲压发动机性能的影响,需要大量的实验和CFD模拟。基于纯净空气和污染空气(H2O)来流下燃烧对比实验,采用较为详细的化学反应动力学模型(13组分33方程),对三个试验条件的燃烧室反应流场进行了三维大规模并行CFD模拟。模拟结果与对比试验测得的壁面压强比较接近,能"分辨"试验气体中H2O的污染影响。模拟结果显示,从燃烧室整体性能看,7.4%H2O和18.3%H2O污染导致燃烧室单位流量的空气对应推力分别下降4.1%和10.7%,而燃烧室燃烧效率分别下降5.5%和9.5%。     

氢气和过氧化氢对正癸烷燃烧特性影响的对比

氢气(H2)和过氧化氢(H2O2)具有较强的反应活性,能够增强碳氢燃料的燃烧过程。为了探究添加液态氢和液态过氧化氢对航空燃油燃烧特性的影响,以正癸烷为代理燃料,采用数值模拟方法对比研究了H2和H2O2对正癸烷/空气燃烧特性的影响。研究发现,随着H2O2的增加,点火延迟时间显著缩短;而随着H2的增加,初始温度为1100 K时,点火延迟时间基本不变,在初始温度为1600 K时点火延迟时间略有缩短。随着H2O2的增加,层流火焰速度有所提升,而H2添加量对层流火焰速度的提高相对而言较小。富油燃烧时,CO排放指数随H2O2和H2的增加有所降低,NO排放指数有所增长。低压贫油燃烧时,H2O2和H2添加量对CO和NO排放指数基本没有影响;高压贫油燃烧时CO排放指数有所降低,NO排放指数有所提高,H2O2添加量的影响更加显著。      

活性粒子对H2/Air混合物燃烧影响的研究

等离子体助燃（PAC）是航空动力领域中的一项新技术。活性粒子在等离子体助燃计算中一直是一个难题,文章建立H2/Air燃烧的化学动力学模型,计算与分析了在非平衡等离子体条件下,气体放电产生的活性粒子（O,H）和活性基（OH）在不同当量比下对燃烧过程中参与燃烧的组分以及温度和压力的影响,为航空发动机燃烧室等离子体助燃实验研究和实际应用提供理论依据。数学模型的计算结果显示等离子体助燃可以提高反应效率,减少燃烧上升时间,提高燃烧温度和火焰传播速率,强烈影响H2/Air混合物燃烧。     

燃烧加热污染空气对超燃冲压发动机性能影响研究

针对燃烧加热地面试验设备存在的工质污染问题,采用数值模拟方法研究了燃烧加热污染空气对氢燃料超燃冲压发动机性能的影响。以飞行马赫数Ma=6.5,当量油气比ER=0.6为计算基准状态,分别对纯净空气和污染空气来流下氢燃料超燃冲压发动机的整机流场和性能进行了对比计算分析。燃烧化学反应模拟采用了改进的H2/O2七组分八方程模型,湍流模型为标准的k-ε模型,并采用直连式燃烧室试验数据进行了数值方法的验证。研究结果表明:(1)相对于纯净空气来流,污染空气来流下的超燃冲压发动机推力和比冲均有所下降。(2)采用酒精燃烧加热器的前提下,来流参数匹配静温、静压、马赫数时,发动机性能与纯净空气来流下的结果最为接近,而匹配总温、总压、马赫数时相差最大。(3)来流参数匹配总焓、静压、马赫数的前提下,采用氢燃烧加热器时发动机性能与纯净空气来流下的结果最为接近,而采用甲烷燃烧加热器时相差最大。     

气相硼燃烧的化学动力学分析

为研究温度和H2,CO,F等组分影响气相硼燃烧的化学反应动力学机制,利用基于CHEMKIN建立的B/C/H/O/N/F体系的反应动力学机理,模拟了温度和各自由基摩尔分数随时间的变化,并通过敏感性分析和化学反应速率分析研究了不同条件下影响气相硼燃烧的主要基元反应。结果表明,影响气相硼燃烧的主要反应式是R31 BO+O+M=BO2+M,BO的氧化速率决定了气相硼燃烧的快慢;提高初始温度,BO的氧化途径仍为R31;添加0.5%CO可以增加O自由基浓度,加快R31的反应速率;添加0.5%F后BO的氧化途径增加了反应式R183 BO+F+M=OBF+M,加快BO的氧化速率;添加0.5%H2后BO的氧化途径转变为R36 BO+H+M=HBO+M,R35 BO+OH+M=HBO2+M和R58 BO2+H+M=HBO2+M,加快BO的氧化速率从而缩短延迟时间;在含有H2的初始组分中,气相硼燃烧的主导反应过程:B2O2/HBO→BO→BO2→HBO2。     

Numerical study of test gas vitiation effects on hydrogen-fueled scramjet combustion

The effects of major vitiated species (H₂O and CO₂) and minor vitiated species (H,OH and O radicals) produced by combustion air preheater on ignition and combustion of hydrogen-fueled scramjet were numerically investigated.Firstly,kinetic analyses with CHEMKIN SENKIN code were conducted to evaluate the effects of contamination on the ignition delay times of hydrogen fuel over a range of temperature and pressure variations.Then numerical simulation of a three-dimensional reacting flow in hydrogen-fueled scramjet combustor was performed.The two-equation shear stress transport κ-ω turbulence model was used for modeling turbulence and 33 reactions finite-rate chemistry was used for modeling the H₂/air kinetics.The results show that: free radical species such as H,O,and OH may significantly promote the ignition process of hydrogen-air at relatively low initial temperature and pressure.However,H₂O and CO₂ have inhibition effects on the ignition process.Under the same conditions,H₂O has more effective inhibition effects than CO₂.The temperature and pressure rise due to combustion are lower in the air vitiated with H₂O and CO₂ because of their higher heat capacities and more dissociation.Combustion efficiency and thrust calculated for vitiated air case are lower than clean air case.These results indicate the importance of accounting for vitiation effects when extrapolating performance data from ground test to flight demonstration.      

Advanced optical diagnostics applied to dynamic flames and turbulent jets

Experimental studies were conducted to obtain single shot measurements of temperature and concentration in a variety of dynamic flames. The structure of a low speed hydrogen-air buoyant flame is investigated to characterize vortex-flame interactions. In this flame, the temperature and the molar fraction of nitric oxide (NO), atomic oxygen (O), atomic hydrogen (H) and hydroxyl (OH) have been obtained using a combination of coherent anti-Stokes Raman spectroscopy (CARS), laser-induced fluorescence (LIF) and degenerate four-wave mixing (DFWM). Good agreement was found between the simulated and the measured data. A monodispersed droplet stream flame was investigated to study the diphasic combustion of ethanol. In this case, the temperature, nitric oxide (NO) and fuel concentration have been measured. Finally, two-dimensional maps of OH and acetone are recorded using planar LIF (PLIF). Application of this technique to a supersonic H₂/air flame and to a subsonic ethylene/air reacting jet mainly illustrates the turbulent character of combustion and provides a deeper insight into the chemical mechanisms of these flows. The present paper emphasizes the importance of applying quantitative and instantaneous optical techniques to different combustion and turbulent media.     

污染空气对超音速燃烧地面试验结果的影响

文中阐述了超燃冲压模型燃烧室地面试验时,进口空气污染的影响。从超燃燃烧室内的自动着火,燃烧过程机理来分析污染物(H_2O)的作用。用电弧加热进口气流及向气流喷水模拟氢加热器加热。结果表明:如果使用氢加热器直接加热空气,进口空气中含有污染物,它对超音速燃烧室地面试验的影响,将取决于进口气流状态,喷射方式、污染物含量和氢当量比等,是模拟试验中必须予以考虑的问题。     

塞式喷管化学反应非平衡流动的数值模拟

对塞锥流场采用七组元八反应模型,对内喷管流场采用六组元八反应模型,数值模拟了氢氧塞式喷管的流动参数、组分质量分数和热力学参数的分布,并把化学反应非平衡流动和冻结流动的流场进行了比较。在边界层和底部回流区内,燃气流速低、温度高,组分O2,H2,O,H,OH的含量比主流内高,而H2O的含量比主流内低。绝热指数随温度的降低而增大,气体常数随温度的降低而减小。外界空气对塞锥流场的影响只限于流动剪切层,对塞锥主流的影响不大。     

后台阶喷氢加喷空气超音速燃烧数值模拟

为了提高带有后向台阶的超音速燃烧室的燃烧效率,提出了一种在氢气喷嘴后加一个空气喷嘴的方法,并且采用雷诺应力湍流模型和有限速率化学动力学模型对这种方法进行了数值模拟研究。计算结果表明:这种方法可以有效地改善氢气与空气的掺混效率,在计算的工况下使燃烧效率从60%提高到了64%;然而随着横喷空气的静压和马赫数的提高,会使燃烧室的总压恢复系数降低,并会使来流空气在台阶尖角处发生分离,接着会在台阶前的横截面产生激波,激波的位置也随着横喷空气的静压和马赫数的增加而前移。     

杂质对尾流化学动力学和电子密度的影响

本文研究杂质对尾流化学动力学与电子密度的影响。这种影响是通过把杂质(Na、H_2O、F_2、C_2F_4)加入到空气尾流中,进行数值模拟计算而获得的。化学体系是由26种粒子,35个化学反应组成的。为了独立地判断各类化学反应(杂质)的作用,把复杂的化学体系分解为由简到繁的九个化学子体系,它们是:Air、Air-Na、Air-F_2、Air-C_2F_4、Air-C_2F_4-F_2、Air-H_2O-Na、Air-F_2-Na、Air-C_2F_4-Na、Air-C_2F_4-F_2-Na。计算结果表明,杂质对尾流电离起着明显的影响,特别是Na,它能使纯空气尾流电子密度增加1～3个量级。另外也表明,与Air-F_2子体系一样,Air-C_2F_4子体系的电子衰减的主要机理是F_2、F对电子的吸附反应,该反应产生大量F~-离子,同时清除了尾流中大部分电子。     

Implementation of the conditional moment closure model to a nonpremixed methanol-air flame stabilized on a bluff-body

Ｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｉｍｐｏｒｔａｎｔａｎｄｃｈａｌｅｎｇｉｎｇｔａｓｋｓｉｎｔｕｒｂｕｌｅｎｔｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｓｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇｏｆｔｕｒｂｕｌｅｎｔｓｃａｌａｒｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓｗｉｔｈ...     

脉冲爆震发动机点火过程离子催化效应数值模拟

利用气体电离理论推导出氢气-空气混合气体电离后组成成分,理论分析活性基团对燃烧速率及剧烈程度的催化效应,以及不同点火能量、活性基团浓度对缓燃转爆震(DDT)过程的影响.结合氢气-空气燃烧23步化学反应动力学机制,采用FLUENT软件对不同工况下的DDT过程进行模拟,与理论分析结果对比.结果表明:点火温度为2000~2500K时,活性基团的加入,可提高燃烧速率,DDT时间可缩短9.91%~21.08%,DDT距离可缩短3.32%~8.08%,DDT时间和DDT距离的改变幅度随点火温度的升高而增大.点火能量较高时应该考虑气体电离效应.