纯氢/混氢碳氢燃料喷嘴技术综述

在民用飞机日益普及的时代,大气中飞机尾气排放对环境的污染问题日益凸显,发动机碳排放需要进一步降低,而氢能的使用为实现零碳排放提供了可能。介绍了氢气与不同碳氢燃料特性,阐述了氢作为航空发动机和燃气轮机燃料的优势,以及纯氢/混氢燃料在主燃烧室设计中带来的诸多挑战。基于氢气及航空煤油等碳氢燃料的基础特性,以纯氢气及以混氢燃料喷嘴技术为研究对象,总结和讨论了氢燃料在航空发动机、燃气轮机中的应用及喷嘴设计技术。同时,考虑氢燃料的加入对燃烧稳定、排放和火焰传播速度的影响,阐述了氢燃料喷嘴发展的关键技术,包括氢燃烧组织及喷嘴设计、低NOX排放氢燃烧、氢燃烧防回火和氢燃烧不稳定抑制等技术,为氢燃料航空发动机燃烧室喷嘴设计提供了新思路。

超临界压力下乳化煤油传热性能数值研究

为了减少煤油在冷却时的结焦析碳,研究乳化煤油在超临界压力工况下传热特性随热负荷变化的规律以及析碳的影响。在对比煤油工质的计算与试验数据的基础上,改进并验证了模型的可用性,得到各相、各参数的全场分布及壁温随热负荷变化规律;在相同工况和热负荷下,乳化油比煤油更能起到降低壁温、减少析碳的作用;含水量越大乳化煤油降低壁温效果越好,但不能进一步减少析碳量。

空气污染各组分对甲烷超声速燃烧性能的影响

在与甲烷详细化学反应机理对比验证基础上,采用18组分24步简化反应机理模拟甲烷超声速燃烧过程,从化学动力学和热力学角度用数值方法研究了乙醇燃烧加热空气中的七种主要污染组分(H2O,CO2,O,OH,CO,H,H2)对甲烷超声速燃烧性能的影响.分析结果表明:在一定条件下,进口空气中污染组分H2O的增加造成平均比热容增加,总温降低,并作为第三体抑制甲烷的燃烧过程,使超燃室的性能下降;CO2因大分子量特性使燃气平均分子量增大,降低超燃室做功能力,H2O和CO2两组分对甲烷超燃性能都起消极作用;污染组分自由基H、O、OH和燃烧中间产物CO、H2使燃烧室燃烧效率上升,对甲烷超燃性能起积极作用.

煤油总包反应机理对超声速燃烧的影响

为考察不同总包反应机理对超声速燃烧数值模拟的影响,以煤油燃料超燃冲压发动机支板加凹腔燃烧室为研究对象,分别采用单步和两步总包反应机理对其燃烧过程进行了三维数值模拟研究。对比分析表明,采用的单步反应机理计算结果与实验值呈现明显差异;而两步反应机理的壁面静压计算结果与实验数据吻合良好,验证了计算过程的有效性。该单步反应机理在前支板处局部反应释热量过大过快,致使超燃室内出现热壅塞现象;而两步反应机理的反应和释热规律更为合理,更逼近真实燃烧过程。

二维粒子分离器的流场及分离效率的数值模拟

数值模拟了某型惯性粒子分离器（简称ＩＰＳ）的二维有粘轴对称流场分布、及各种不同尺寸砂粒的轨迹及分离效率，采用贴体坐标网格，并将多连通域转换成单连通域，在任意非正交曲线坐标系下求解ＩＰＳ的分叉流动、粒子运动轨迹和分离效率。计算与实验结果吻合良好，表明：本文所采用的方法和编制的程序能反映粒子分离器的主要特征。

直升机粒子分离器三维两相流场的数值模拟

本文以某型直升机粒子分离器为研究对象 ,在三维非正交曲线坐标系下计算湍流分叉流动和砂粒运动 ,结合边界条件特殊处理 ,采用分块计算来考虑叶片对流场的影响 ,首次对有叶片粒子分离器三维两相流动进行了数值模拟。

表面催化反应对空间预混气体着火影响的研究

催化燃烧中表面反应和空间反应的相互影响是一个非常重要的问题,本文计算了表面有催化剂的高温小球利用催化反应放热点燃空间预混气体的温度和浓度分布情况,从而得到当空间预混气体着火时表面催化小球的温度低于无催化时空间预混气体着火温度,同时得到在利用催化反应放热点燃空间燃烧时,空间预混气体着火的温度却远远高于无催化下的空间预混气体着火温度,该结果与试验相符。

小火焰模型在贫燃预混火焰中的研究

由层流小火焰库引入详细化学反应机理,通过简化的PDF方法计算组分浓度、平均温度和密度等变量,以钝体火焰稳定燃烧室和某燃气轮机上的燃烧室为例,模拟甲烷/空气贫燃条件下预混燃烧的平均火焰位置和火焰厚度,计算结果与实验结果吻合良好,这表明此方法能够较好计算出平均湍流火焰的主要特征。

煤油催化重整可燃燃气发生器的试验研究

设计了新型煤油催化重整燃气发生器，在较大油量和较高压力情况下，进行了一系列相关参数的影响试验．试验结果表明：在催化温度较高、头部余气系数保持在0．6～0．8时，其出口燃气温度为400～700℃，可燃气体成分占15％～30％，氢气体积分数最高可达16％，从而可为超燃冲压发动机提供良好的高温含氢可燃燃气，有利于超燃室内的点火和稳定燃烧．

多区域多重网格法在直升机粒子分离器中的应用

首次将多区域多重网格法用在一般曲线坐标系下交错网格布局的 SIMPLEC算法中 ,在直升机粒子分离器这类独特结构中的成功应用 ,突破多重网格方法在多连通域中运用的局限性 ,使复杂问题变得简单。结果表明 ,它不仅能加快流场求解的收敛速度 ,而且还能提高计算精度。

分区多重网格法在复杂区域中的数值研究

突破多重网格方法在多连通域中应用的局限性,将分区法与多重网格法结合,形成分区多重网格法,应用在复杂几何域及复杂多连通域中,结果表明,它不仅能提高精度,而且能加快收敛。

回转水泥窑燃烧段混煤燃烧数值研究

对有反应湍流气粒两相流动采用双流体模型 ,对煤粉燃烧过程采用通用模型 ,首次针对 70 %无烟煤 + 30 %烟煤的混煤燃料 ,将回转水泥窑筒体配有速差射流煤粉燃烧器的燃烧过程进行了数值研究。结果表明 ,回转水泥窑中采用该型燃烧器能强化燃烧 ,同时使煤粉的扩散受到约束 。

矩形冷却槽道内煤油热裂解过程数值研究

高马赫数下超燃冲压发动机煤油再生冷却过程中易发生热裂解反应导致结焦,因此有必要在冷却通道中开展热裂解过程研究。基于热裂解反应产物试验结果建立了一步热裂解总包反应,对煤油在冷却槽道中超临界流动换热以及热裂解过程展开了三维数值模拟研究,将固壁的传热和槽道内流动反应进行耦合计算,与三种不同热流密度的实验工况对比。结果表明,在热裂解反应发生以前,两相流模型的温度分布和实验数据吻合得很好,但随着燃油温度升高到450℃,燃料开始发生复杂的化学反应,两者开始出现偏离,温度越高,偏离越大。在引入热裂解反应模型之后,高温区域的温度显著降低,和实验结果吻合。热流密度越大,裂解反应率加剧,煤油反应转化率增大。煤油在弯折冷却通道中温度分布不对称。

化学反应动力学对超声速燃烧的影响

非平衡化学反应是超声速燃烧中非常重要的过程,其反应动力学模拟直接影响其内部温度分布。针对某支板氢燃料超声速燃烧室,分别采用了单步化学反应动力学、7组分8步反应和9组分19步反应动力学模型,对比了燃烧反应速率、内部温度场和速度场的分布。结果表明,采用详细化学反应动力学,燃烧热释放缓慢,在流场中下游自由基参与反应,其温度场与试验值吻合更好。

参数变化对低功率电弧发动机性能和稳定性的影响

设计了一种功率低于500 W以下的电弧加热发动机的结构和实验系统,采用氮气作为推进剂,系统地测试了该电弧加热发动机在不同工况下的性能参数,并分析了发动机关键尺寸参数和主要工况参数对发动机性能和稳定性的影响,总结得到了稳定工作参数和规律。

复杂几何域中不可压流动的多重网格计算

本文首次将多重网格中的全近似格式ＦＡＳ用到一般曲线坐标系下交错网格布局的ＳＩＭ－ＰＬＥＣ算法中，采用三个流动结构：渐扩平面通道、收扩管流和轴对称弯曲管流作为算例，通过与单网格在不同Ｒｅ数、不同网格点数和不同几何结构上的迭代性能的对比，证明多重网格克服了曲线坐标系下单网格ＳＩＭＰＬＥＣ算法的不足，大大提高收敛速度，节省ＣＰＵ时间。

水电弧加热发动机不稳定性分析和实验

通过实验发现导致水电弧加热发动机不稳定的主要原因为推进剂流量供给的汽化脉动,提出了毛细管束稳定汽化原理,采用毛细管束汽化系统,实现了水在管内的稳定汽化。以水为推进剂进行了性能实验,实验结果表明水电弧加热发动机在实验工况下能够稳定的工作。

超燃模型发动机中引入催化重整燃气的试验研究

催化重整燃烧室能够产生氢体积分数高达16%的高温富油可燃燃气,所产生的可燃燃气从后支板供入到超燃模型发动机中,进行了直连式联调试验.在相同超音速来流状态下,与不通入可燃燃气的两种工况进行了压力、出口火焰形貌和壁面温度的对比,发现可燃燃气的加入能够在几乎不加入高压气堵情况下迅速着火,并能维持住稳定的超音速燃烧,在富油恶劣状态下,燃烧良好.结果表明,催化重整可燃成分在超燃模型发动机中起到了助燃和稳定燃烧的作用.

值班甲烷/空气射流火焰的小火焰模型模拟

将小火焰模型和假定的PDF方法相结合,模拟甲烷湍流射流扩散火焰,稳态火焰面结构由层流小火焰数据库得到,采用详细化学反应机理描述甲烷的氧化和NO以及碳烟的生成,数值模拟结果和实验数据吻合较好,说明小火焰模型可以较准确地计算出扩散湍流火焰中的燃烧过程。

小型化催化重整煤油燃气发生器的数值模拟

催化重整燃气发生器是在线产生氢气的有效途径,有助于碳氢燃料超燃冲压发动机的着火和燃烧.通过对新设计的小型化燃气发生器乳化煤油的燃烧及催化重整进行数值模拟,在计算结果和试验数据吻合基础上,分析了出口燃气的总体状态和影响催化重整各参数的变化规律,确定了研究涉及到的参数范围内的最佳工况点,并揭示了内部的燃烧状态和一些难测量成分含量变化趋势,从而进一步指导设计和试验.