内燃波转子复杂波系及火焰传播特性研究

发布时间：2020-06-22 12:12

【摘要】：内燃波转子作为一种新概念燃烧装置,具有波转子预增压和高效等容燃烧的优势,能够显著的提高各种发动机和机械的性能。通过在特殊环境下产生的压缩波、激波等不稳定的复杂波系对气流进行压缩实现预增压,同时采用爆燃或爆震模式实现高热力学循环效率的等容燃烧。本文以内燃波转子为研究对象,采用数值和实验方法,开展了内燃波转子复杂波与火焰传播特性研究,同时探讨了不同堵塞比扰流片、不同混气填充速度、不同氮气稀释度混气、不同热射流组分等对其波与火焰传播特性的影响。主要研究成果如下:(1)针对燃烧过程的数值模拟,采用直接关系图法(DGR)、准稳态假设法(QSSA)以及敏感性分析法,建立了一种23组分55步基元反应的简化机理。分别从乙烯的点火延迟时间、火焰传播速度以及燃烧过程组分浓度等方面与详细机理进行宽条件范围的对比验证,验证了简化机理能够很好的应用于乙烯燃烧过程模拟。(2)通过分析内燃波转子的结构和工作过程,建立了三种简化内燃波转子计算模型,具体包括:单通道二维内燃波转子计算模型、全通道二维内燃波转子计算模型和全通道三维内燃波转子计算模型。依据内燃波转子的流动、燃烧特征,确定了可用于内燃波转子工作过程模拟的计算方法。(3)详细分析了单通道二维内燃波转子波与火焰的相互作用过程,一般分三个阶段:一是波引领着火焰锋面加速传播,二是波撞击端壁后反射并作用火焰锋面,三是波继续撞击端壁后反射并追赶火焰锋面。加入扰流片后波与火焰在第一阶段就完成了耦合,随着扰流片堵塞比的增加波与火焰耦合时的时间和距离都在减小。氮气稀释度到达0.8后,由于燃烧过程强度在减弱,火焰在第一阶段无法加速至与燃烧波耦合。详细分析了全通道二维内燃波转子波与火焰的相互作用过程,考虑混气填充过程后,波与火焰很快的耦合在一起了,然后以爆震波的形态在波转子通道内传播,待传播至燃料与空气分界面处,波与火焰出现了解耦。此后,波撞击端壁在通道内来回运动,火焰继续向前传播直至将通道内预混气消耗殆尽。混气填充速度增大后越有利于预增压过程,但是,混气填充速度过大时,会出现混气溢出波转子通道的情况,此后,继续增加混气填充速度时,反而不利于之后的点火过程。详细分析了全通道三维内燃波转子波与火焰的相互作用过程。在此模型下,波与火焰并未能实现耦合,但是整个过程平均火焰传播速度达到106.6m/s,实现了快速燃烧模式。排气密封板打开,波转子通道内的高温、高压燃气向外排出,会产生一系列膨胀波,向通道内传播的膨胀波能够降低通道内的压力和温度,有利于下个工作循环的填充气过程。(4)针对多循环单通道内燃波转子实验系统,开展了不同堵塞比扰流片对其压力增益及火焰传播特性研究,研究结果表明:扰流片的存在能够极大的提高波转子通道内的压力波强度,在堵塞比为38.91%时,PT2处压力峰值相较于没有扰流片时提高了200%。同时随着扰流片堵塞比的增加火焰平均传播速度增加。在Br=38.91%时能够获得最大平均火焰传播速度29.173m/s。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK16
【图文】：

示意图,转子结构,示意图,排气端

推动航空发动机朝着高性能方向发展，对于燃烧室设计者来说，是提高涡轮入口燃气温度，通常称这种方法为传统提高航空发动设计新型燃烧室结构，利用高效的等容燃烧模式替换传统的等压烧室为新概念燃烧室[4-5]。根据文献[6-8]的记载，定容燃烧的热循定容燃烧的热循环效率到达 49%时，相同压气机出口和涡轮入口7%。对于第一个发展方向，涡轮入口温度现阶段已经发展到极限制，想要进一步提高十分困难，因此，现阶段对第二种方法探索了一系列新概念燃烧室，比如脉冲爆震发动机、内燃波转子等。子（Internal Combustion Wave Rotor，ICWR）采用高效等容燃烧气端、波转子通道、排气端和点火器等。如图 1.1 所示，波转子构，波转子通道与进、排气端之间滑动接触，通常采用滑动密封端口，波转子通道通过轴承固定在轴上。内燃波转子工作时采用子通道高速旋转，而进、排气端处于静止状态，使得进、排气端子通道，产生复杂的运动波系，实现能量的交换。在燃料填充波子通道点燃混气，完成高效等容燃烧过程，之后排气端口打开完成

工作过程,转子,排气端,打开状态

内燃波转子复杂波系及火焰传播特性研究转子的工作过程作简单的划分，如图 1.2 所示，主要包括六个工作气端口处于打开状态、排气端口处于关闭状态，此时，波转子通满空气；（II）进、排气端关闭，热射流进入波转子通道点燃波燃烧过程；(III)燃烧完成后通道内充满高温、高压燃气，此时，子通道外，同时产生一束向波转子通道上游方向传播的膨胀波；(，此时，填充空气，目的是为了隔离上一个循环产生的高温燃气转子通道进、排气端口均处于打开状态，进气端口填充预混气；然关闭，此时，进气端口仍处于打开状态，在波转子通道排气端产波转子的预压缩过程。分析内燃波转子的工作过程，有两个明显烧。

【参考文献】