双碳目标下的氨燃料航空动力研究进展及展望

为了获得氨燃料航空动力应用潜力评价,本文综述了氨燃料的绿色制取方法、氨燃料燃烧特性的研究成果以及氨航空发动机设计过程中可能存在的技术问题和相应的解决方案。综合已有研究成果,本文认为氨燃料航空发动机具有非常广阔的应用前景,采用氨氢混合燃烧在未来有望成为氨燃料航空动力系统的优选方案。     

燃料掺氢对船用天然气发动机燃烧和排放的影响

为研究船用天然气发动机气体燃料中掺入不同比例氢气对燃烧和排放的影响。运用改装的氢气-天然气-柴油三燃料混烧发动机进行台架实验,测试对比负荷特性下掺氢比为0%、5%、10%、15%四个工况发动机排放物中CO、CO2、NO、NOx、烟温等数据,然后针对掺氢比分别为0%、5%、10%、15%、20%、25%的六个工况,运用CHEMKIN-PRO模拟计算点火延迟时间和层流火焰速度。结果显示,随着氢气比例增加,缸内燃烧点火延迟时间缩短,缸内最高温度升高,层流火焰速度增快,掺氢比对NOx排放影响不明显,相同输出功率下掺氢比高的工况CO排放更低,燃料掺氢工况CO2排放低于纯天然气工况。研究认为,燃料掺氢有助于改善船用LNG动力发动机的燃烧和排放,具有较大的研究和应用前景。     

癸酸甲酯与正丁醇在低速柴油机中均质压燃燃烧与排放

通过向生物柴油替代燃料癸酸甲酯(MD)中掺入一定比例的正丁醇(NBA),达到降低氮氧化物（NOx）排放的目的。针对二冲程低速船用柴油机,建立了癸酸甲酯和正丁醇的混合燃料燃烧反应机理,并将Zeldovich氮氧化物反应机理作为子机理添加到燃烧反应机理中。构建出一个包含癸酸甲酯,正丁醇和详细的氮氧化物反应的完整燃烧反应机理。在燃料总摩尔分数一定的条件下,固定发动机转速与空气过量系数,将癸酸甲酯与正丁醇按不同比例进行混合,研究癸酸甲酯与正丁醇混合燃料在二冲程低速船用柴油机充量均质压燃（HCCI）模式下的燃烧与氮氧化物排放特性。结果显示,癸酸甲酯与正丁醇混合燃料HCCI燃烧产生的氮氧化物随正丁醇掺混比例的增加而减少。研究表明,在燃料总摩尔分数保持不变时,随着正丁醇混合比例的增加,燃料总热值减少,排气温度和缸内最高燃烧温度降低,对氮氧化物的生成有抑制作用,氮氧化物反应速率降低,排放量下降。同时,由于正丁醇掺混比例的增加导致混合燃料的C/H比下降,可以有效地降低燃烧过程中CO2的排放。在保证发动机燃烧效率的条件下,癸酸甲酯和正丁醇的混合比例为1:1时,混合燃料在二冲程低速船用柴油机中HCCI燃烧的NO与NO2排放量最低。     

CAA授予英国皇家空军职员最高荣誉

近日,国际航空运输协会（IATA）重申了航空业面对气候变化,应负责任地承担相应义务。国际航协还呼吁政府应当提出一个全局性的经济领域的解决办法。按照京都议定书的要求减少航空排放。     

航空发动机烟雾排放的符合性验证方法研究

通过研究CCAR-34中烟雾排放的测试大纲,参考芝加哥公约附件16第二卷附录2和航空燃气涡轮发动机排气冒烟测量规范HB-6116-87,设计了烟雾排放测量试验的操作流程,包括取样测量系统的设计、取样测量步骤、试验数据处理。结合ICAO发动机排放数据库中CFM56-2B-1的发烟指数（SN）,验证其与烟雾排放标准的符合性,探索了发动机烟雾排放适航验证方法。     

基于燃气分析法的航空发动机燃烧室性能研究

为深入了解燃烧室性能,用燃气分析法测量了燃烧室在高压状态下的气态污染物排放和排气冒烟,用热电偶法测量了燃烧室出口温度场.混合式取样器安装于摆盘上,随摆盘沿周向匀速旋转采集样气,通过测试仪器分析样气组分,计算得到了燃烧室的油气比、燃烧效率、污染物排放指数及冒烟数.通过比较采用燃气分析法和流量法得到的油气比、燃烧效率的测试结果,分析了慢车状态误差偏高的原因,结果表明:燃气分析法是1种准确、可靠的燃烧室性能测试方法.改进了混合式取样器结构,提高了排气冒烟测试的精度.     

双旋流驻涡燃烧室湍流燃烧流动的数值分析

提出了带导流片的双旋流驻涡燃烧室以进一步发展低排放、高效燃烧技术。改变旋流器的结构参数以及旋向,对双旋流驻涡燃烧室内部燃烧湍流流场进行了数值模拟。结果表明:增大旋流器内外径比对燃烧效率有一定影响,NO_x排放降低了约8%。旋流器中心间距对燃烧性能的影响不如内外径比的大。不同旋向下燃烧室均可获得良好的双涡结构,但反旋时下游火焰筒的高温度梯度场会对筒壁造成强烈热冲击,同旋时NO_x排放降低了约22%,因此同向旋转结构总体上要优于反向旋转结构。     

低排放燃烧室化学反应器网络模型的参数化

为了掌握低排放燃烧室的污染物排放情况,对其化学反应网络器(CRN)模型的参数化进行研究.对爬升工况下燃烧室CFD数值模拟结果进行分析,划分燃烧室的结构,得到燃烧室的CRN模型.再利用自编程软件对燃烧室的结构参数和进口参数进行参数化定义,并把参数化的CRN模型在不同工况下的模拟结果与试验结果分别比较.结果表明:在慢车工况下二者相差不大,在爬升工况下二者差异也在允许误差范围之内.验证了该模型可行性较好,该参数化CRN模型可用于预测低排放燃烧室的污染物排放量和出口温度.     

油气比对燃气分析法燃烧效率、气态污染物测试精度的影响

在燃气分析单点测试偏差的基础上,针对燃气轮机、主燃烧室及加力燃烧室目前采用的取样方式的现状,建立了燃气分析法和流量法的油气比偏差对燃烧效率和气态污染物测试精度的影响规律。结果表明:对于采用移位机构进行测量的主燃烧室,流量法和燃气分析法油气比相差在5.1%以内时,说明有足够的测点密度,数据有效,此时的燃烧效率精度优于0.5%;对于加力燃烧室和整机测试,由于取样点不足,油气比偏差较大,燃烧效率的精度还取决于油气比和CO的体积分数。保证足够的取样点密度是燃气分析测试结果具有较高精度的前提。      

考虑污染物传播规律的飞机座舱送风方式研究

为充分认识飞机座舱内污染物传播机理并控制和减少座舱内污染物传播,研究了不同送风方式对座舱内污染物传播特性及空气品质的影响。以波音737-200机型为研究对象,利用CFD技术建立了5排座舱模型,模拟计算了天花板和天花板+侧壁两种送风方式下座舱内气流场及污染物浓度场,通过等比例实验舱对部分工况气流场和污染物浓度值进行验证,并以空气龄为评价指标对空气品质进行评价。结果表明：在同等送风量下,天花板+侧壁送风更有利于污染物的扩散,通风效果充分,而天花板送风更容易造成污染物单点聚积,通风效果较差,且经济性较差。