分级/预混合预蒸发贫油燃烧低污染方案NO_X排放初步研究

对分级/贫油预混合预蒸发低污染燃烧方案的氮氧化物排放进行了初步试验研究,主要目的是考察贫油预混合预蒸发级降低污染排放的能力。预燃级是常规双涡流器空气雾化喷嘴,主燃级是空气雾化喷嘴雾化燃油,配装蒸发管,头部涡流器组织燃烧。燃油为RP-3航空煤油。采用单头部燃烧室,工况模拟了燃烧室进口温度(800K)、进口速度和总油气比,压力为常压。研究结果表明,旋流式贫油预混合预蒸发燃烧的主燃级有降低氮氧化物的潜力,相对于常规燃烧组织方式,能够降低NOX排放量为60%,同时发现,燃油分级比例对NOX降低也有很大影响。

燃烧室贫油多旋流预混合预蒸发特性数值研究

对燃烧室多旋流器的贫油预混预蒸发(LPP)及形成可燃混合气特性进行了CFD数值研究。2级旋流器的第1级选用斜切入孔式旋流器,第2级选用径向旋流器。第2级旋流器的流量分配对预混预蒸发效果有重要影响。在2级旋流器气体总流量为0.035 kg/s不变时,第1、2级旋流器气体流量比小于1∶4时,预混预蒸发效果较好。计算结果与试验结果相符合。

新型快速预混合预蒸发喷嘴的结构和性能

设计了一种新型快速预混合预蒸发模型喷嘴。数值研究了喷嘴的不同内部结构设计对掺混效率、液滴平均蒸发时间、传热传质和总压损失等性能的影响规律。内设环肋和凹槽都有强化喷嘴内的油/气混合和传热传质作用;只增加环肋和凹槽个数不能继续改善喷嘴性能反而增加总压损失;环肋/凹槽组合结构的性能相对较好。这为实现燃烧室的HiTAC预混燃烧方式提供了依据。

贫预混预蒸发燃烧室的火焰结构及污染物排放

为研究航空煤油贫预混预蒸发(LPP)燃烧室火焰结构及污染物排放特性,设计了贫预混预蒸发燃烧实验平台,通过平面激光诱导荧光(PLIF)测量火焰结构,利用气体分析仪完成了排放特性测量研究.实验结果表明,LPP火焰呈现V型分布,随着当量比的增加,火焰长度变长,燃烧反应区域不断加大.当入口轴向流速恒定,随着当量比从0.43增加到0.60,NO_x排放缓慢增加,而当量比大于0.60后,NO_x排放迅速增加,而CO排放受当量比影响较小.在此基础上,研究了入口预热空气温度对污染物排放的影响.发现随着预热空气温度的升高,NO_x排放会不断升高,但预热空气温度的升高对CO的排放影响较小.

蒸发管内燃油喷雾预热预蒸特性的数值模拟

为了提高蒸发管内燃油喷雾的蒸发速率,提高可燃混合气中燃油气相浓度,用数值模拟方法分别模拟了雾化燃油在热惰性气体中的预蒸发过程和在热空气中的预蒸发过程。数值模拟结果表明:与油雾在热惰性气体中的纯物理蒸发过程相比,由于"冷火焰"化学反应释放的热量,大大提高了燃油在热空气中的预蒸发的油雾蒸发速率和可燃混合气中的燃油气相浓度。数值模拟的结果与实验数据基本符合。

多旋流LPP影响燃烧特性的数值分析

对贫油经由双级旋流器在突扩燃烧室内的旋流扩散燃烧反应进行了CFD数值研究。通过改变一级旋流器和二级旋流器的空气流量分配,定量研究了旋流杯内油气的局部混合和蒸发对双旋流燃烧特性的影响。结果表明,合理的气量分配使旋流杯内的油气具有较明显的贫油部分预混合预蒸发LPP效应;使燃烧室头部区域具有LPP燃烧特性:头部燃烧区位置和结构合理,温场峰值低且比较均匀,产生较少的NO污染物。相关计算结果与试验结果相符合。

LPP燃烧室燃烧不稳定特征三维模拟

为分析贫油预混预蒸发(LPP)燃烧室的燃烧不稳定(CI)特征,通过对三维亥姆霍兹方程进行了三种不同程度的简化:平均温度场和导入CFD温度场的无源项方程,以及导入燃烧流场特征的有源项方程,分别对单头部LPP燃烧室模型进行了三维频域特征数值仿真。结果表明:燃烧室内的温度分布是燃烧室声学特征频率的重要影响因素,释热率源项对主频无影响。相比于仅设置平均温度场,导入CFD三维温度场可以获得与实验频率更吻合的结果,精度提高了5%。采用解耦方式求解频域方程能够快速建立声学系统与燃烧流场间的联系,释热率和迟滞时间的空间分布特征表现在亥姆霍兹方程的源项,其对预测燃烧室固有频率没有影响,但是能够获得详细声压分布特征。

LPP燃烧室振荡燃烧机理及二次燃料对振荡的抑制

开展了贫预混合预蒸发燃烧室（LPP）振荡燃烧机理的实验研究,利用锁相的平面激光诱导荧光（PLIF）测量技术测量了一个振荡燃烧周期内不同相位上贫预混合预蒸发燃烧室火焰结构。研究表明：靠近燃烧室轴线处火焰会间歇性地局部熄灭、重新点燃、逐渐增强;远离燃烧室轴线处火焰会周期性地脱体和融合;计算了LPP燃烧室内瑞利指数分布,瑞利指数为正的两个区域与靠近燃烧室轴线处和远离燃烧室轴线处发生周期性波动的火焰区域重合;确定了LPP燃烧室中的振荡燃烧是由上述两个区域的火焰周期性波动共同作用所激励;通过二次燃料喷射,成功地抑制了LPP燃烧室内的振荡燃烧,实现了振荡燃烧的主动控制。