非平衡等离子体控制乙烯-空气旋流反扩散火焰实验研究

摘要：为研究非平衡等离子体自身特性及其对乙烯-空气反扩散火焰的影响,基于同轴旋流式等离子体喷嘴,采用交流激励介质阻挡放电（Alternating Current Dielectric Barrier Discharge, AC DBD）方式在乙烯旋流中产生非平衡等离子体,分别从放电图像、温度和流场变化等方面对乙烯等离子体的电学特性、热效应和气动效应进行了研究,最后通过反扩散火焰可见光和CH*自发辐射图像详细分析了等离子体对乙烯-空气反扩散火焰的影响及其机理。结果表明,AC DBD激励方式使乙烯旋流在喷嘴环缝内产生了丝状非平衡等离子体,丝状等离子体通道数目随着激励电压上升而显著增加。与空气等离子体和氧气等离子体相似,乙烯等离子体兼具热效应和气动效应,其热效应主要集中在放电核心区域,对射流加热作用微弱,对燃烧的影响可以忽略不计;气动效应显著,主要体现在增强了射流掺混、扩大了射流覆盖面积以及降低了转捩点高度,射流掺混的增强导致反扩散火焰最大释热强度提升,且在低当量比时较为明显,射流转捩点高度的降低引起了火焰中心位置下降。     

基于热响应的陶瓷基复合材料火焰筒热冲击试验

连续纤维增韧的碳化硅复合材料火焰筒是航空发动机重要的热端部件之一,对其进行热冲击性能评估具有十分重要的 意义。为了考察陶瓷基材料与金属材料的连接性能及火焰筒本体特征部位的抗热疲劳性能,采用扣锁式壁面温度测试方法和基 于材料热响应试验制定的热冲击时域循环,对连续纤维增韧的碳化硅复合材料制备的航空发动机火焰筒试件进行燃气热冲击性 能研究。试验中,通过准稳定壁温获取试验得到了火焰筒试验件准定常状态时外壁面温度参数;按照加速试车原则确定了热冲击 时域循环参数;参照航空发动机100次起降对应的燃烧室经历的热载荷,以100次时域循环作为火焰筒试件试验评估的最终循环 次。试验结果表明：经100次热冲击循环后,试件考核部位表现出较好的连接性和抗热疲劳性能,为连续纤维增韧的碳化硅复合 材料制备的航空发动机热端部件的工程优选和设计优化提供了试验支撑。     

受限空间预混钝体稳定与抬升火焰激光诊断

在受限空间预混钝体燃烧器中,利用OH-PLIF （平面激光诱导荧光）、PIV （粒子图像测速）和瑞利散射测温技术实验研究了火焰结构、流场和温度场之间的相互影响关系。对比分析了贫燃稳定与富燃抬升状态下甲烷/空气预混火焰的燃烧场特性。实验结果表明：火焰结构、流场和温度场分布之间均存在直接联系。贫燃（当量比为0.8）火焰钝体上方为膨胀的高温低速回流区,利于火焰维持稳定;富燃（当量比为1.2）火焰倾向在受限空间出口与外界空气卷吸后着火,其钝体上方为类似冷态的低速低温回流区,无法点燃混合气,因而形成抬升火焰。分析各场局部分布信息获得火焰场间相互依赖规律：钝体火焰中,高温和低速对应已燃区,低温和高速对应未燃区。     

N2O4在氟醚橡胶中扩散和吸附行为的分子动力学模拟

利用全原子分子动力学与巨正则蒙特卡洛模拟方法,研究不同四氧化二氮(N_2O_4)含量、温度和压力对N_2O_4在氟醚橡胶中扩散和吸附行为的影响。结果表明,随着N_2O_4含量增加,体系自由体积越大,因而增加了N_2O_4的扩散速率。当体系压力增大时,体系自由体积逐渐变小,N_2O_4扩散速率减小。此外,温度的上升既提高了自由体积又增大了原子的运动速度,因此提高了N_2O_4的扩散速率,并表现出阿伦尼乌斯关系。进一步地,N_2O_4在氟醚橡胶中的溶解度系数随着温度的上升迅速下降。所以,N_2O_4在氟醚橡胶中的渗透系数随着温度的上升先微弱上升然后迅速下降。     

限制域形状对分层火焰和燃烧不稳定性的影响

本文在中心分级燃烧室中研究限制域形状对火焰结构及燃烧不稳定性的影响。实验过程中,使用带有CH*滤镜的相机拍摄火焰图像,使用动态压力传感器测量压力脉动。结果表明,突扩限制域和斜坡限制域中的时均火焰结构相似。但突扩限制域中的火焰动态结构呈现出周期性变化,并伴随着压力振荡。而斜坡限制域中的火焰动态结构基本不变,且压力脉动接近于零,主要原因是斜坡限制域中的旋涡脱落过程受限,旋涡与火焰的相互作用被大幅削弱。通过改变主燃级通道流速调节延迟时间,发现突扩限制域中会出现压力振幅的周期性变化,而斜坡限制域中始终保持稳定燃烧。本文的研究表明使用斜坡限制域有潜力成为在宽工况范围内有效抑制燃烧不稳定的被动控制方法。     

双V型火焰稳定器的研制和应用

双Ｖ型火焰稳定器是一种结构新颖的低阻火焰稳定器，具有点火性能好，流动损失小，燃效率高等优点，其应用改善了发动机的总体性能，提高了发动机空中接通加力的可靠性，叙述了双Ｖ型火争稳定器的工作机理，性能增益，研制和应用情况。     

角区分离对声激励响应的初步研究

对一小展弦比扩压器内的分离流的声激励控制进行了实验研究, 并对此类声控的机理进行了初步探索。实验结果表明用外部声激励的方法可以控制小展弦比扩压器内的复杂分离流动;声控分离的效果依赖于激励强度和频率, 而对激励位置并不敏感。介于未分离区和分离区间之间的分离过渡区中的湍流脉动模式决定了所观察到的非定常湍流分离的基本结构。在激励声波的作用下, 角区旋涡被其调制加强, 使过渡区的湍流脉动模式发生了很大的变化, 加强了向分离区的能量输运, 推迟角区旋涡在扩压器内逆压递度作用下卷起, 因而削弱了大尺度的分离流动。      

菱形排列发散小孔火焰筒冷却结构数值模拟

针对先进燃烧室火焰筒壁面保护问题,对火焰筒菱形排列发散小孔进行数值研究,提出一套处理菱形排列发散小孔网格的方法。为了研究火焰筒壁面的温度分布,采用流固耦合的方法,并采用标准k-ε模型、非预混PDF模型对燃烧室性能进行计算。计算结果表明：发散小孔菱形排列在冷却效果上优于顺排排列,在总油气比为0.046的情况下,工况一最高壁温806K,温度梯度20.7K/cm,工况二最高壁温780K,温度梯度34.4K/cm,冷却结构满足了先进燃烧室在高油气比下对燃烧室壁温方面的要求。     

孔排布方式对多斜孔壁火焰筒传热特性影响的数值研究

为了探寻高效的冷却技术,将多斜孔壁冷却结构应用于燃烧室火焰筒中,在实际工作条件下,对三种孔排布方式的火焰筒冷却特性进行了数值模拟.研究了斜排孔阵的周向偏移量H相对周向孔间距p的变化(模型A:H/p=0.2;模型B:H/p=0.4;模型C:H/p =0.5)对冷却特性的影响.计算结果表明,在燃烧室进口条件相同时,H/p的变化对总冷却用气量的影响很小,但对火焰筒的传热特性有明显影响,模型C的冷却效果优于模型A和B,并且火焰筒出口的温度分布不均匀系数ε较小.     

合成气组分及雷诺数对火焰结构影响的实验研究

利用非接触的激光PLIF技术测量了在湍流贫燃预混燃烧中的OH自由基分布。以典型煤制合成气真实组分为基础进行工况设计,分为H2含量变化、CO/（CO＋CH4）相对比例变化、雷诺数变化和中低热值对比4部分进行实验。通过OH-PLIF信号分析,探讨了H2含量、CO/（CO＋CH4）相对比例和雷诺数对燃烧的影响。实验结果表明,雷诺数、H2含量和CO/（CO＋CH4）相对比例的变化对合成气燃烧过程都有显著的影响。其中雷诺数的增大和H2含量的增加都加强了OH-PLIF信号强度,即有利于火焰中OH自由基的生成。而CO/（CO＋CH4）相对比例的上升,因同时减少了CH4含量,导致OH自由基浓度下降。H2含量的升高和CO/（CO＋CH4）相对比例的上升（转折点前）对于火焰行程都有缩短的作用,强化了燃烧。转折点之后CO/（CO＋CH4）相对比例的继续上升不利于燃烧。后文对裂解气火焰瞬时图像和火焰面密度的分析印证了上述规律。