先进航空涡轮发动机NO_x排放仿真与测试技术研究

发布时间：2020-08-06 21:04

【摘要】：为实现CAEP确定的2050年民用航空净排放量减至2005年50%水平这一绿色航空环境目标,除航空运输业的积极经济政策与管理技术外,环境友好低排放燃烧技术(包括替代燃料技术、高效燃烧技术等清洁发动机技术)是航空发动机设计制造部门的主要创新目标,就现有航空燃料而言,减少NOx排放量的主要措施是更低的燃烧温度、更短的高温燃烧时间(在更完全燃烧、更高的能量转化效率前提下)。NOx生成机理的过程相对复杂,从目前研究成果看,主要有:高温条件下N2氧化基元反应的Zeldovich机制、热力场中燃料高分子链CH的C-N-O-H官能团置换裂解氧化Fenimore机制、燃料裂解小分子N2O-CN-CHN-NO的中间产物转化wolfrum(该机制决定NO/NOx占比)机制,随着光谱测试技术的发展,稳定中间产物的测试和控制技术研究进展很快。分级燃烧一直是NOx低污染排放控制技术的主流,即根据NOx的生成机理控制燃烧反应的温度、燃气比等过程变量,但由于不同发动机宽工作状态、高效率、高入口燃气温度、安全性稳定性等约束,NOx低污染排放技术一直在不同性能指标的协同中优化发展。燃料、空气及其混合比,在航空发动机燃烧全流程都受到高度关注,大量CFD数值模拟方法得以研究、应用和发展,不同的混合燃烧区域,也整理完善了大量模型,但数值模拟的核心还是对过程状态的模型物理认知和时空步长设定,物理认知与采用的数学方法无关;时空步长涉及依据燃烧室尺寸的机理判定和模型设计、物理认知(强紊流条件Re105～106,流动时间尺度和化学反应尺度不相当,是目前急需发展的紊动化学反应动力学条件),目前很多仿真结果不能被工程设计采用,其核心问题是过程判断的可靠性(一个核心判断是连续、非连续过程的确定,另一个核心判断是均值与脉动幅值的关系)。模型定义,需要依据大量仿真与试验数据进行过程判断并控制,因此基于经验数据、理论数据的模型选择和仿真,是一个不断优化的过程,不断优化数据(数据剔除、识别和处理)、率定参数,根据仿真结果要求不断提高连续方程级数(网格梯度精度)、控制误差在允许范围。航空发动机NOx排放的仿真、测试与估算,其机理、模型、方法与发动机运行状态密切相关,如在服役期和大修后,其性能退化会导致一些污染物排放量增加,如CO、UHC、SOOT排放上升约10%,但对NOx的排放影响较小,仅微升约2%。本文开展了四个T*4状态(873K/1073K/1273K/1473K)加力燃烧室污染物排放的试验和仿真研究,并在V型试验器上进行了 CFD数值仿真,比较分析断面温度场、浓度场测试数据,可以得出仿真结论:利用κ-ε涡耗散模型等紊流模型,在紊流发展区可以得到很好的结果验证,CFD紊流模型的误差主要源于紊流模型和化学反应动力学模型的交互;燃气比、气氛、燃烧室出口温度分布与NOx排放正相关。试验测试得出主要结论如下:开展NOx污染物的断面分布情况研究,CO2和O2的浓度和基本保持不变,是理想的测试基数;NOx流动中心区域的实测数据与仿真结果高度吻合,NOx/CO具有显著的反函数协同,可以尝试把断面分布图像相似度用于分析断面参数分布特征。激光及光谱技术被广泛用于航空发动机的参数与排气组分测试,本文开展了基于红外大气窗口的发动机尾喷口红外测试技术研究,利用红外热像仪测试尾喷口温度场,验证了温度低于773K的黑体校准技术可行性,试验结果表明:773K时,最高辐射亮度达8.26×10-4(W/(m2.sr.um)),在3～5μm窗口波段亮度曲线特征明显(峰值波长4.245μm);分析了测试距离、环境温度等因素对大气透过率、目标发射率的影响并研究了模型修正算法,测试误差可以实现现场修正,在继续完善温度T773K的校准方法基础上,红外测试技术可能成为航空发动机尾喷的实测技术。
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X738
【图文】：

Ｈ邋Ｂｉｏｆｕｅｌｓ邋ａｎｄ邋ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ邋ｎｅｗ－ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ邋ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ逦—邋Ｍｅｔ邋ｅｍＪｓｓ？ｏｎｓ邋ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ逡逑图１．３截止２０５０年的航空减排技术路线图逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ邋ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ邋ｔｃｃｈｎｏｌｏｇ＞邋ｒｏａｄｍａｐ邋ｕｎｔｉｌ邋２０５０逡逑^u展航空燃气涡轮发动机污染物的排放规律研究，其一有助于航空发动机设逡逑计人员通过排气温度、污染物的组分、浓度等分布规律，分析提高航空发动机燃逡逑烧效率、降低污染物排放的技术手段和改进措施，提高环境友好型航空发动机设逡逑计水平；其二有助于建立有效的燃烧室燃烧过程仿真方法，污染物排放量估算方逡逑法，提高新型发动机设计的可靠性；其三有利于完善基于航空

逦３５逦４０逡逑图１．２以２０００年为基准的ＣＡＥＰ减排标准和现有主要航空发动机型号的技术状态逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｓｔａｎｄａｒｄｓ邋ｏｆ邋ＣＡＥＰ邋ｅｍｉｓｓｉｏｎ邋ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ邋ｂａｓｅｄ邋ｏｎ邋２０００邋ａｎｄ邋ｔｈｅ邋ｔｅｃｈｎｉｃａｌ邋ｓｔａｔｕｓ邋ｏｆ邋ｍａｊｏｒ逡逑ａｅｒｏ邋ｅｎｇｉｎｅ邋ｍｏｄｅｌｓ邋ａｔ邋ｐｒｅｓｅｎｔ逡逑表１．１发动机总压比７ｃ0之３０，Ｆ２８９ｋＮ的ＣＡＥＰ排放现值逡逑Ｔａｂｌｅ邋１．１邋Ｔｈｅ邋ｐｒｅｓｅｎｔ邋ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ邋ｖａｌｕｅ邋ｏｆ邋ＣＡＥＰ邋ａｔ邋ｅｎｇｉｎｅ邋ｔｏｔａｌ邋ｐｒｅｓｓｕｒｅ邋ｒａｔｉｏ邋＞邋３０，Ｆ逡逑逦①彡８９ｋＮ逦逡逑ＣＡＥＰ邋Ｉ逦ＣＡＥＰ邋ＩＩ逦ＣＡＥＰＩＶ逦ＣＡＥＰＶＩ逦ＣＡＥＰＶＥＩ逡逑４０＋２．0７ｃｆＸ，逦３２＋２．0７ｒ0：．逦７＋２．0７Ｃｃ0逦－１．０４＋２．0７１0：，逡逑一邋Ｎｏ邋ａｃｔｉｏｎ逡逑一逦Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ逡逑１邋＾＿一－一一邋．逡逑｜逦，邋一逦Ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ逡逑＾逦＿逦逦—逦ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ逡逑＾逦一－？一邋＿＿一邋邋邋逦＇邋ａｎｄ邋ｂｉｏｆｕｅｌｓ邋Ｌａｒｔｘｊｎ邋ｎｅｕｔｒａｌ逡逑ｉ逦—一二0逦逦—－邋一逡逑’逦５０？ｆｃ邋ｂｙ邋２０５０逡逑ｏ逡逑２００５逦２０１０逦２０２０逦２０３０逦２０４０逦２０５０逡逑Ｋｎｏｗｎ邋ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

东北大学博士学位论文逦第２章航空涡轮发动机燃烧室ＮＯｘ排放数值模拟与仿真逡逑Ｉ

本文编号：2782960