微型蒸发管燃烧室燃油冲击雾化蒸发的分析方法研究

发布时间：2020-09-29 09:23

　　 随着科技水平的进步,人们对微型动力设备的需求增加,涡轮发动机也发展出一个向微小型化过渡的分支。燃烧室作为发动机的核心部件,其设计和优化往往具有继承性和经验性,设计方法也是试验和数值模拟相结合两种方式的。作为涡轮机的部件,燃烧室在微型化的过程中面临制雾水平低和驻留时间短两个主要问题。因此本文从燃油雾化和蒸发两方面出发,对微型燃烧室内燃油预混和燃烧过程进行研究,本文的主要工作有:1、非预混燃烧前需要将燃油雾化成无数小液滴,从而加快燃料液态向气态的转变。本文首先通过编程求解球形液滴蒸发传热控制方程,对流动气流中液滴的非稳态蒸发过程的传热传质现象进行理论分析;根据现有试验数据建模,对目前广泛应用的几种传热传质关联式进行校验,并根据液滴表面蒸气层相对厚度,拟合出了一种能反映移动液滴在高温强对流条件下蒸发的传质修正关系式,定量地对比了几种关联式在不同雷诺数、组分扩散性下的差异。2、本文对某微型燃烧室中蒸发管的燃油蒸发特性进行了试验研究,研究了包括进气温度_aT、气油比AFR、管壁温度_wT和空气流速_aV四种因素对蒸发效率η_e的影响。试验结果表明:_aT和_aV是影响蒸发效率的两个主要因素;蒸发管正常工况下表面油流大多处于膜态沸腾状态,当气油比减小到3时,管内两相流型由膜态沸腾向过渡态沸腾转变,该状态下燃油与管壁的换热效率最低。蒸发管数值仿真引入欧拉液膜模型(EWF),并通过自定义函数建立液滴碰壁飞溅模型。蒸发效率的计算结果与试验数据呈现相同趋势,且与仅使用DPM模型的计算结果相比误差明显减小(误差值在14%以内),在此基础上进一步研究了进口参数对燃油雾化和油膜生成的影响。3、随后,为研究微型燃烧室供油装置对燃烧室性能的影响,在某直径为12厘米燃烧室的基础上,计算分析了不同蒸发管构型和分布数量下燃烧室的流场结构、燃烧性能以及雾化蒸发效果。相比管型,管数对燃烧室性能的影响更大一些。增加蒸发管数量可改善燃烧室雾化性能、燃烧性能和小流量状态下的贫油点火性能,但当S_v _t/H_L减小至1后,出口截面性能参数基本保持不变。4、按照发动机总体设计的要求,使用经验公式和一维计算方法对MTE171微型燃烧室的基本轮廓尺寸进行估算,使用数值计算方法设计了三种不同壁面孔交错布置的燃烧室方案,燃烧效率均在95%以上满足整机性能指标。并通过Gasturb软件得到各状态下燃烧室的进口条件,研究不同状态下燃烧室性能的变化规律。最后对MTE171火焰筒壁面进行冷却优化,采用半冲压气膜孔代替平直孔冷却孔,设计状态下壁面温度分布得到明显改善。气膜孔分布参数Z/nS低于0.55的情况下冷却效率均在70%以上。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V231.2
【部分图文】：

第一章 绪论轮发动机的主要部件之一，其功能是为发变为燃气的热能。随着航空技术的发展 Engine, MTE）以其产能效率高，成本低应用，图 1.1 是目前广泛采用的一种蒸发发展过程中，相比大型航空发动机主燃轮发动机的结构紧凑，燃烧室表面积与燃余气系数工况下，燃烧反应中的活性中心[1]；2）燃烧室长度短，不易安装旋流装驻留时间在 0.5ms 左右，与常规燃烧室相因此油气的掺混和火焰的稳定，都需要室不易采用复杂的燃油雾化装置，而采般的空气雾化喷嘴，产生的不完全燃烧

图 1.2 炙热表面液滴撞击过程hwarz 等人[5]以水为介质在环境温度 314~449K/ s的条件下，通过实验数据对①. Sh=2+0.6 其 中 =1-0.4(1-dT / T ) ③ . = Z (2/[0.3+0.7(1+mB )0.88]④. (1+mB )0.7= 2+0.87结果如图 1.3 所示。(2) Downing 关联式 (3) Chucho 关联式 图 1.3 传质关联式校对o[6][7]等人在考虑了变物性的前提下研究了一前流环境、液滴坍塌、内部环流、瞬态加热等因距、尺寸比率和传质数分别提出了关于阻力系式。之后他们在先前工作的基础上研究了前后

图 1.2 炙热表面液滴撞击过程液滴蒸发方面，Schwarz 等人[5]以水为介质在环境温度 314~449K ，直径为 0.7~2.3mm，环境流速在 0.5~1.7 m/ s的条件下，通过实验数据对①. Sh=2+0.612Re13Sc ②. = G(2+0.612Re13Sc ) ； 其 中 =1-0.4(1-dT / T ) ③ . = Z (2+0.370.61Re0.51Sc ) ；=(s )/(s1 -Y)/[0.3+0.7(1+mB )0.88]④. (1+mB )0.7= 2+0.87 四种传质关联式进行了验证，对比结果如图 1.3 所示。

【参考文献】

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本文编号：2829534