一种RP-3航空煤油的三组分替代燃料简化机理构建与验证

对RP-3航空煤油三组分替代燃料(质量分数分别为73%的正十二烷、14.7%的1,3,5-三甲基环己烷和12.3%的正丙基苯)半详细化学反应动力学模型进行简化和验证,旨在获得可应用于工程计算且精度合理的三组分替代燃料简化机理。三组分替代燃料半详细化学反应动力学模型包含有257组分和874步基元反应。第一步采用直接关系图法(Directed relation graph,DRG)构建了109组分423步基元反应;第二步是在第一步的结果上采用基于误差传播的DRG方法 (Directed relation graph basedon error propagation,DRGEP)和计算奇异摄动法(Computational singular perturbation,CSP),构建了84组分271步基元反应;最后采用路径分析法在常压高温条件下分析其燃烧路径,对比详细机理和第二步的简化机理,去除不重要的反应路径(在本文工况中化学反应速率很小的基元反应)或者补入被前两步简化方法删减错的重要路径。最终获得的适合常压高温燃烧的三组分替代燃料简化机理为59组分和158步基元反应。结合RP-3煤油点火延迟时间和层流火焰速度等试验数据对三组分替代燃料简化机理进行了验证,结果表明,本文获得的三组分替代燃料简化机理数值计算结果与试验数据较吻合。最后,为了验证三组分替代燃料简化机理工程实用性,以本生灯预混燃烧火焰为物理模型,利用三组分替代燃料简化机理对以航空煤油为燃料的本生灯预混预蒸发燃烧进行了数值模拟,计算结果表明,该简化机理数值计算结果与试验数据吻合,且计算时间能在工程应用可接受范围内,因此说明本文获得简化机理组分和反应步数合理,计算精度较为准确。     

OH与CH2O双组分平面激光诱导荧光对旋流燃烧室火焰结构与脉动特征的研究

介绍了利用平面激光诱导荧光(PLIF)技术对航空发动机的旋流燃烧室模型在贫燃状态下工作特性的研究。通过对OH与CH2O双组分进行同步PLIF测量,获得了不同工况下燃烧室反应区以及预热区的瞬态结构信息。应用本征正交分解(POD)方法对OH PLIF的图像进行处理,得到了旋流火焰的主要脉动模态,并通过扩展本征正交分解(EPOD)方法计算出了相应POD模态的CH2O荧光信号分布。实验结果表明:随着燃烧室热功率的增大,火焰的整体结构、脉动模式均出现了明显的变化。在火焰高度增加的同时,轴向不稳定性逐渐增强,涡核旋进(PVC)的脉动特征相对减弱。在较大的热功率下,在燃烧室的外回流区(ERZ)出现未燃烧的燃料。      

基于半经验耦合的贫熄边界预测方法

提出了一种根据FV(flame volume)模型与燃烧室热态仿真相结合的贫油熄火边界耦合预测方法。利用两种不同构型五个不同方案燃烧室的贫熄试验数据对此方法进行验证,结果表明:对于直流型燃烧室与回流型燃烧室,FV模型中的经验常数K分别取1.35和0.55时,能够保证各方案燃烧室的贫油熄火边界预测精度均在±20%以内。相比于Lefebvre模型,此方法的计算精度更高、适用范围更广。      

低旋流预混燃烧稳燃机理的大涡模拟

采用大涡模拟(LES)方法对比了高低旋流的预混燃烧特性,并分析了低旋流的稳燃机理。结果表明:LES耦合部分搅拌反应燃烧模型(PaSR)可以准确的捕捉旋流预混燃烧的细小火焰结构和流场分布。不同旋流强度引发不同的流场特性,低旋流诱发较弱的回流区,而高旋流会诱发很强的回流区,这种强烈的流场特征往往会引起振动频率极低的进动涡核拟序结构(PVC)。通过涡脱落和燃烧温度分布的瞬时耦合关系,发现火焰剪切层引起的内外涡脱落频率差是低旋流火焰稳定的最主要因素,低旋流燃烧受涡旋结构的影响交替出现W和V型火焰。     

湍流预混燃烧逆梯度输运分布的数值研究

为了研究湍流预混火焰中逆梯度输运现象的发展、空间分布规律和相关流场控制因素,基于湍流火焰封闭模型(Turbulent Flame Closure,TFC)机理进行准一维分析,得出了当地标量通量的逆梯度输运分量随预混燃烧反应进度变量的关系。通过Moreau燃烧室模型的数值模拟,验证了准一维分析结果的适用性。在此基础上,通过多工况计算,对比研究了密度比对流场逆梯度输运分布的影响。结果表明:预混燃烧流场中标量通量的逆梯度输运现象总发生在火焰中更靠近未燃混合物一侧;增大密度比,流场逆梯度输运特性增强且其区域向反应物侧靠拢。     

变截面管道旋流进气加热的数值模拟

为了研究整体强旋流进气对燃烧室状态改变和对应能量转换特性的影响,突出加热对旋转速度和旋转动能变化的作用,计算了等截面和变截面环形燃烧室中预混旋流甲烷/空气在冷态和燃烧态下的流场,并分析了流场旋流特性的变化。结果表明:提高轴向速度和使用变截面管道结构有助于提高旋流气体的旋转速度,旋流气体在加热条件下旋转速度会增大。采用变截面管道旋流进气加热能够较好实现热能向旋转动能的转变,在燃烧室设计中可以作为能量转换设计的1种潜在方法。     

分层比对分开分层旋流预混火焰结构的影响

为了充分认识分开分层旋流预混火焰的特性,实验研究了分层比（SR）对分开分层旋流预混火焰宏观结构的影响。实验以甲烷为燃料在常温常压下展开,通过改变分层比研究了用CH^*化学发光信号表征的火焰宏观结构的变化,包括稳火方式、焰锋、主释热区等。观察到火焰的稳火方式以及主释热区的位置发生了变化。在角涡回流区、台阶回流区和中心回流区的共同作用下,随着分层比的变化,分别在中心体下游、台阶内外沿和主燃级通道出口外沿存在稳火点,并依此首次提出和以往研究中分层旋流预混火焰相比不同的6种类型分开分层旋流预混火焰模式：Y型、V型、对称D型、多褶型、窄W型和宽W型。结果表明,火焰宏观结构受分层比影响而发生变化,可以用甲烷的富燃、贫燃和可燃极限来解释分层比对火焰宏观结构以及自激振荡的影响。     

气膜-发散组合冷却结构换热特性的实验研究

为了研究气膜-发散组合冷却结构的冷却特征,保证相同的开孔率,设计了三种不同发散孔排布形式的组合冷却结构,采用实验的方法对气动参数和几何参数对绝热冷却效率和对流换热系数的影响规律开展了研究。结果表明:绝热冷却效率和对流换热系数沿主流方向先逐渐降低,达到最低点后沿流动方向二者基本保持不变;在研究参数范围内,主流雷诺数和吹风比对绝热冷却效率的影响不大,但对组合冷却结构的对流换热系数影响较大,随着主流雷诺数和吹风比的增加,对流换热系数均呈现逐渐增大的趋势;针对三种发散孔排布形式的绝热冷却效率和对流换热系数,流向间距大的气膜发散冷却结构最高,流向间距居中的气膜发散冷却结构次之,流向间距最小的气膜发散冷却结构最低。     

基于投影残差最小化的二维火焰化学发光场重建

化学发光计算断层成像技术(CTC)能够实现对燃烧室内激发态粒子化学发光场的瞬时三维测量。为进一步提高CTC的测量精度,依据火焰的结构特性提出一种基于投影残差最小化的优化重建算法(PDM算法),利用Sine仿真模型对ART算法、ASD-POCS算法和PDM算法在不同角度下的重建性能进行评估。实现对一组稳定二维预混火焰的OH*化学发光场重建,通过重建结果与实际拍摄结果的对比,进一步评估重建算法的性能。结果表明:传统医学重建算法丢失火焰内部结构特征,不适用于火焰图像重建;PDM算法可以加快重建速度,提高重建质量,即使在稀疏角度下的重建,仍能得到较高精度的重建结果,有效捕捉火焰的主要结构特征。     

翼身融合体旋流对单级轴流压气机性能影响的数值研究

为探究翼身融合体(Hybrid wing body, HWB)飞机发动机进口旋流对压气机性能和稳定性的影响,利用数值模拟的方法探究了单级轴流压气机在HWB旋流作用下的气动响应,获得均匀进气条件和旋流进气条件下的压气机特性线和流场分布。结果表明,HWB旋流导致压气机增压能力和效率下降,失速点流量增加,在100%,90%和80%换算转速下,压比最大降低幅度分别为0.52%,0.42%,0.38%,峰值效率分别下降了4.93%,5.74%,6.14%,喘振流量分别增加了2.43%,5.4%,2.94%。研究发现,压气机稳定工作边界由最恶劣的进气旋流区域决定,压气机失稳是HWB旋流中的反向旋流导致转子叶尖进气攻角增大、气流在叶片前缘溢流造成的。