弱旋流燃烧器燃料/空气预混均匀性研究

实施贫预混燃烧技术的关键是保证燃料与氧化剂的均匀混合,避免在燃烧时形成局部高温点而导致NOx排放增加。本文针对弱旋流燃烧器设计了甲烷/空气预混方案,首先通过试验结果验证了数值计算方法的可靠性,然后对当量比为0.7的预混气体进行数值模拟,分析了燃料喷射孔和弱旋流流场特性对掺混的影响机制。结果表明：喷射孔径影响燃料的初始分布,很大程度上决定了在有限空间内可以达到的最终混合效果,对给出的预混结构,存在最佳当量孔径b=0.01及对应的平均动量通量比 J =75.59,使混合效果最优。弱旋流流场由中心直流通量和外环旋流通量共同作用,其中旋流对燃料扩散起主导作用。在保证弱旋流特性的前提下,通过增大孔板阻塞比或旋流叶片几何角的方式能够强化旋流作用,从而提高预混均匀性。     

介质阻挡体放电对甲烷扩散火焰CH*自发辐射影响实验研究

为分析非平衡等离子体对空气/甲烷扩散火焰的助燃效果,实验以发射中心谱线430nm的激发态自由基CH*表征火焰燃烧状态,采用同轴圆柱构型激励器在高频交流模式下激发等离子体,分析了火焰CH*自发辐射图像、火焰高度、CH*径向分布和燃烧释热速率等火焰特性在不同空气流量和当量比下随放电电压的变化规律。结果表明：等离子体激励在空气流量较低时,会显著增强火焰上游甲烷燃烧,从而降低CH*空间分布高度和火焰高度;空气流量增大后,有利于促进甲烷充分燃烧,增大火焰下游CH*辐射强度和分布范围。在火焰上游区域,等离子体气动效应可有效扩展甲烷径向分布,实现剪切层更宽范围燃烧,其活化效应会明显提高剪切层燃烧强度,并随电压增大作用效果逐渐增强。此外,等离子体激励会使燃烧器喷嘴出口附近火焰释热速率显著增大,该现象在空气-甲烷动量比较大时更容易发生。     

铝基粉末燃料层流火焰传播速度实验研究

为研究铝基粉末燃料火焰传播特性,本文设计了气固两相本生灯型层流火焰实验装置,开展了铝基粉末燃料层流火焰传播速度的实验研究;获得了气流流速、颗粒相浓度等因素对空气中铝颗粒层流火焰传播的影响规律,并研究不同级配比例下的铝基粉末燃料的火焰传播性能。研究结果表明：在相同颗粒浓度条件下,提高气流速度会显著增加铝基粉末燃料层流火焰传播速度;在相同气流速度条件下,铝基粉末燃料层流火焰传播速度在铝颗粒浓度接近600 g/m³时达到最大值,而当铝颗粒浓度过低时,层流火焰无法稳定传播;此外试验结果还表明,利用中小粒径颗粒填充大颗粒间的孔隙,能显著提高铝基粉末燃料层流火焰传播性能。     

一种一体化加力燃烧室的数值模拟

为适应新一代航空发动机高推质比的设计要求,设计出一种一体化加力燃烧室方案,利用截尾支板与带凹腔的分流环组合结构取代了传统火焰稳定器。对该方案进行了数值模拟研究及试验验证,结果表明:在该一体化加力燃烧室内涵中有3个低速回流区;截尾支板结构不仅起整流支板的作用,还能够起到火焰稳定器的作用;燃烧效率在90%～93%之间,流阻系数约为0.26;在所研究的工况下总压恢复系数均高于0.975,且主要的总压损失集中在截尾支板及分流环凹腔处。      

内燃波转子复杂波系及火焰传播特性实验研究

为了探究内燃波转子工作过程中复杂波系及火焰的传播特性,采用乙烯为燃料进行了内燃波转子多循环工作过程实验研究。依据实验中采集到的离子探针信号、压力传感器信号和高速摄影照片来分析波转子通道内的复杂波和火焰的传播特性,同时更换波转子通道内的不同扰流片结构来探究其对复杂波系和火焰传播特性的影响。研究结果表明:波转子通道内波与火焰存在一个动态过程,且火焰与波峰的间距越来越小,加入扰流片后火焰速度与压力波的强度明显增加。堵塞比为38.91%时,PT2处压力峰值可以达到1.56MPa。堵塞比为31.13%时,平均火焰传播速度能达到36.95m/s。     

甲烷-空气预混火焰中OH~*标识放热率的数值模拟研究

为了研究化学发光对放热率的标记特性,得到化学发光与放热率之间的定量关系,对当量比0.8~1.4,流速5~25cm/s的甲烷-空气预混火焰进行了数值模拟。分析了不同基元反应的放热特性及反应速率与放热率的关系;通过研究激发态粒子浓度分布与放热率分布,给出了OH*标识放热率的依据,并获得了放热率峰值与OH*浓度峰值之间的定量关系。结果表明,激发态粒子OH*和CH*都集中分布于热量大量释放的狭窄反应区内;OH*浓度分布随当量比的变化规律与基态粒子HCO相同,在当量比为1.0时峰值浓度最大;OH*可以标识放热率,且效果优于CH*;OH*浓度峰值与放热率峰值呈线性关系,当量比增大,比例系数减小。     

小分子燃料对RP-3航空煤油燃烧作用的数值研究

为研究小分子燃料对RP-3航空煤油燃烧的影响,选择合理的RP-3航空煤油替代燃料详细燃烧模型开展工作,该模型能够精确预测RP-3航空煤油和小分子燃料的燃烧特性。以六种重要的小分子燃料H2,CH4,C2H4,C2H6,C3H6和C3H8分别与RP-3航空煤油按1:5的比例(摩尔分数)掺混形成的六种混合燃料(Blended Fuel)为研究对象。在当量比为1.0,压力分别为0.1 MPa和1 MPa下系统模拟了RP-3航空煤油及六种混合燃料在高温下的燃烧特性,分析了各种混合燃料的自点火、燃尽时间、绝热火焰温度、熄火温度、组分浓度变化,并结合ROP(Rate of Production)分析方法,分析了小分子燃料对OH自由基生成速率的影响。结果表明,C2H4将RP-3航空煤油的点火延迟时间缩短了近4.6%;C3H6则将RP-3航空煤油的点火延迟时间推后了8.4%;C2H4和H2对RP-3航空煤油的快速点火和稳定燃烧有着积极的作用,其中C2H4的作用最为突出。     

甲烷-空气低旋流火焰中自由基的辐射特性

为了研究低旋流火焰中CH*和OH*自由基的辐射特性,设计了开放式低旋流火焰燃烧器,对旋流数为0.45～0.60,甲烷流速为0.33m/s～0.83m/s的甲烷-空气低旋流火焰进行了实验研究。利用ICCD相机和相应滤光片获取了CH*和OH*的化学发光图像,对CH*中的背景光干扰进行了消除,并研究了旋流数和气流速度对两种自由基辐射发光的影响。结果表明,CH*和OH*都主要分布在火焰锋面上,OH*更能表征化学反应的存在;旋流数对燃烧的反应程度、反应位置以及火焰的结构有明显影响,OH*的轴向峰值和旋流数的线性相关系数为0.975,要强于CH*;随气流速度增大,CH*的发光强度减小,而OH*的发光强度明显增大。     

麻疯树油/RP-3航油混合燃料燃烧特性实验研究

为研究麻疯树油/RP-3航空煤油混合燃料的燃烧特性,在定容燃烧弹内完成了体积混合比分别为1:0,1:1和1:3,初始温度500K,初始压力0.1MPa,当量比为0.7～1.5混合燃料的实验。分析得到了混合燃料的火焰发展特性、火焰半径变化率、拉伸火焰传播速度、马克斯坦长度、无拉伸火焰传播速度等燃料燃烧特性,并与RP-3航空煤油对比。得到以下结论:在当量比为0.7～1.2时,火焰传播稳定,火焰前锋面较光滑;在当量比增至1.3～1.5时,火焰前锋面出现大量裂纹、胞状结构和微型火团,与其他大分子碳氢燃料的燃烧性质相似;在初始温度和初始压力一定时,无拉伸层流火焰传播速度随当量比先增加后减小,在当量比为0.9～1.0附近时,无拉伸层流火焰传播速度达到最大值;混合燃料的马克斯坦长度与当量比呈反比,在当量比为0.7～1.2时,马克斯坦长度为正值,燃烧趋于稳定;在当量比为1.3～1.5时,马克斯坦长度为负值,燃烧趋于不稳定。与RP-3航空煤油对比,掺有麻疯树油时马克斯坦长度轻微降低,燃烧稳定性稍差;在当量比小于1.0时,无拉伸火焰传播速度轻微降低,在当量比大于1.0时,无拉伸火焰传播速度显著降低。     

双环预混旋流低污染燃烧室数值研究

利用Fluent软件计算双环预混旋流(TAPS)低污染燃烧室三维两相喷雾燃烧流场,研究两种燃烧室结构和两种喷油方式对流场与燃烧性能的影响,采用标准k-ε模型模拟湍流黏性,离散相模型追踪油珠运动轨迹,燃烧模型采用非预混平衡化学反应模型.计算结果表明:在进口条件不变情况下,改进燃烧室结构和喷油方式,能提高出口温度,同时可大幅降低出口污染物排放;在相同试验条件下,TAPS低污染燃烧室燃烧性能优于目前某在研发动机模型燃烧室.