国产RP-3航空煤油着火与燃烧特性的实验与数值研究

发布时间：2017-08-29 22:45

  本文关键词：国产RP-3航空煤油着火与燃烧特性的实验与数值研究

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【摘要】：近年来,如何提高航空发动机主燃烧室燃烧效率、改善燃料燃烧和降低对大气环境的污染成了人们研究的热点。在国家自然科学基金(51376133)的资助下,本文系统地开展了国产RP-3航空煤油的着火和燃烧特性试验和数值研究。完成了以下工作：1.较为系统地总结了国内外航空燃料及表征燃料的着火和燃烧特性、表征燃料燃烧反应机理构建与验证、主燃烧室模拟计算研究现状。对航空燃料及相应的表征燃料,国外已构建较为完善的着火和燃烧特性实验数据库,提出与发展了单组分、双组分和多组分航空煤油表征燃料化学反应机理,并应用于主燃烧室模拟,给出了较为可靠的分析和预测。国产RP-3航空煤油与国外燃料构成有一定差异,基础燃烧特性实验研究较为缺乏,亟需开展RP-3航空煤油实验研究,以指导航空发动机燃烧室的设计与改进。2.利用化学激波管和定容弹实验装置对RP-3航空煤油的着火和燃烧特性等进行了实验测量。分析了初始压力、着火温度、当量比和燃料体积分数等参数对航空煤油着火延迟期的影响,并拟合了RP-3航空煤油着火延迟时间Arrhenius形式关系式,RP-3与JP-10着火延迟期的拟合公式的各参数影响因子几乎一致。通过处理纹影图片,获得了拉伸火焰传播速率、拉伸率、马克斯坦长度、无拉伸层流火焰传播速率和层流燃烧速率等层流燃烧特性。当量比和压力对燃料燃烧特性影响较大。3.以RP-3航空煤油的着火和燃烧特性为依据,利用Honnet机理对着火延迟特性和燃烧特性进行温度和当量比的敏感性分析,最终形成了半详细的RP-3反应机理(150种组份,591个反应机理)。该机理较好的体现出不同工况下RP-3航空煤油的着火延迟和燃烧特性,与实验值吻合较好。通过燃烧反应机理进行反应路径、敏感性和生成速率分析,得到RP-3航空煤油简化反应机理(50种组份,118个反应机理),并进行了验证。4.通过耦合RP-3航空煤油燃烧简化反应机理与CFD计算,得到了环管燃烧室的流场、温度场,以及燃烧过程中的中间产物、排放物生成和活性组分等浓度场,并得到了氮氧化物排放。火焰筒头部存在两个明显的回流区,有很好的稳燃作用,其后存在滞止区；随着出口段截面收缩,燃烧室出口流速约为120m/s,具有较强的做功能力。火焰筒头部温度场平均约为1300K左右,在主燃孔截面达到最高,在掺混孔截面燃料已完全燃烧,这符合燃烧室放热规律。之后随气膜空气的进入掺混而逐渐下降,燃烧室出口平均温度为1265K,接近燃烧室出口设计温度；出口温度径向分布系数符合涡轮进口规律。
【关键词】：国产RP-3航空煤油 着火延迟特性 马克斯坦长度 层流燃烧速率 化学反应机理
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V312
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-17
• 1 绪论17-40
• 1.1 研究背景17-19
• 1.2 研究意义19-20
• 1.3 国内外相关研究进展20-36
• 1.3.1 航空煤油着火延迟特性的实验研究21-27
• 1.3.2 航空煤油燃烧特性的实验研究27-30
• 1.3.3 航空煤油表征燃料的燃烧反应机理研究30-35
• 1.3.4 航空发动机燃烧室燃烧与排放物生成的数值模拟研究35-36
• 1.4 目前研究中存在的问题36-37
• 1.5 本文主要研究思路与内容37-40
• 2 航空煤油着火特性的实验测试40-68
• 2.1 激波管实验装置41-44
• 2.1.1 激波管管体及双膜机构42
• 2.1.2 配气与进气系统42-44
• 2.1.3 着火诊断系统44
• 2.2 理想激波管基本理论及计算44-48
• 2.2.1 理想激波管基本理论44-46
• 2.2.2 激波管理想流动状态参数计算46-48
• 2.3 有效实验时间及时间测量的误差分析48-49
• 2.3.1 激波管有效实验时间48
• 2.3.2 频率计测量时间的误差48-49
• 2.4 航空煤油典型着火特性49-50
• 2.5 当量比对着火特性的影响50-58
• 2.5.1 RP-3煤油体积分数对着火特性的影响50-55
• 2.5.2 当量比对着火特性的影响55-58
• 2.6 初始压力对着火特性的影响58-63
• 2.7 RP-3航空煤油着火延迟时间的参数拟合63-66
• 2.8 本章小结66-68
• 3 航空煤油层流燃烧特性的实验测试68-93
• 3.1 实验装置68-70
• 3.2 实验原理70-75
• 3.3 火焰发展特性75-77
• 3.3.1 典型火焰发展特性75-76
• 3.3.2 火焰不稳定性76-77
• 3.4 混合气参数对火焰发展的影响77-81
• 3.4.1 当量比的影响77-78
• 3.4.2 初始压力的影响78-80
• 3.4.3 初始温度的影响80-81
• 3.5 层流燃烧特性分析81-92
• 3.5.1 火焰半径随着火时刻的变化81-83
• 3.5.2 拉伸火焰传播速率随半径变化的变化83-85
• 3.5.3 拉伸火焰传播速率随拉伸率的变化85-87
• 3.5.4 马克斯坦长度的变化87-89
• 3.5.5 无拉伸层流火焰传播速率与层流燃烧速率的变化89-92
• 3.6 本章小结92-93
• 4 航空煤油表征燃料燃烧反应机理及验证93-113
• 4.1 航空煤油表征燃料的选择93-95
• 4.2 表征燃料燃烧反应半详细机理及验证95-103
• 4.2.1 表征燃料燃烧反应半详细机理的构建95-99
• 4.2.2 表征燃料着火延迟特性的数值计算99-101
• 4.2.3 表征燃料层流燃烧速度的数值计算101-103
• 4.3 表征燃料燃烧反应简化机理及验证103-109
• 4.3.1 敏感性分析103-106
• 4.3.2 生成速率分析106-109
• 4.4 表征燃料简化机理的验证109-112
• 4.5 本章小结112-113
• 5 航空发动机燃烧室燃烧与排放物生成的反应动力学分析113-128
• 5.1 航空发动机主燃烧室结构和物理模型113-116
• 5.1.1 航空发动机主燃烧室结构113-115
• 5.1.2 网格划分115
• 5.1.3 边界条件115-116
• 5.2 控制方程与计算模型116-118
• 5.2.1 控制方程116-117
• 5.2.2 计算模型117-118
• 5.2.3 反应机理与CFD耦合方法118
• 5.3 火焰筒流场特性118-119
• 5.4 燃烧室温度场特性119-121
• 5.5 反应物及裂解产物浓度场分析121-124
• 5.6 排放物及中间组分浓度场分析124-125
• 5.7 氮氧化物排放分析125-127
• 5.8 本章小结127-128
• 6 结论与展望128-132
• 6.1 结论与创新点128-130
• 6.2 创新点摘要130
• 6.3 展望130-132
• 参考文献132-140
• 附录A 表征燃料半详细机理140-141
• 附录B 表征燃料简化机理141-142
• 攻读博士学位期间科研项目及科研成果142-144
• 致谢144-145
• 作者简介145

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