【摘要】：由于對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的排放標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)苛,低污染成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的重要設(shè)計(jì)指標(biāo)之一,其中主要為NO_x排放。為降低燃燒室NO_x排放,要求采用新的燃燒組織方法,從而需要對(duì)先進(jìn)低污染燃燒室燃燒組織和NO_x排放生成機(jī)理開展研究。針對(duì)燃燒室的湍流燃燒過程和NO_x排放預(yù)測(cè)開展數(shù)值方法研究,對(duì)揭示NO_x排放生成機(jī)理、探索燃燒組織方法和指導(dǎo)燃燒室設(shè)計(jì)具有重要的意義。本文圍繞航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中的湍流燃燒和NO_x排放的數(shù)值計(jì)算問題,開展了基于火焰面方法的燃燒模型和NO_x排放預(yù)測(cè)模型研究。在燃燒模擬方面,開展了建表方法研究,包括層流火焰面數(shù)據(jù)庫構(gòu)建方法、反應(yīng)進(jìn)度變量PDF以及β-PDF處理方法等。分別采用δ-PDF和β-PDF作為反應(yīng)進(jìn)度變量PDF,建立了火焰面/進(jìn)度變量(FPV)和火焰面生成流形(FGM)模型,以及β-PDF的高效處理方法。在NO_x數(shù)值預(yù)測(cè)方面,考慮到NO生成與溫度的強(qiáng)相關(guān)性,通過將焓損失引入層流火焰面數(shù)據(jù)庫中擴(kuò)展FPV和FGM模型,建立了非絕熱FPV和FGM模型,并發(fā)展了簡(jiǎn)化輻射模型光學(xué)薄模型(OTM),完善了非絕熱流場(chǎng)的求解方法,同時(shí)保持了較高計(jì)算效率�？紤]到NO生成過程是一個(gè)慢反應(yīng)且生成量較小,采用單獨(dú)求解NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)輸運(yùn)方程的方式進(jìn)行NO_x的預(yù)測(cè),建立了兩種源項(xiàng)處理方法,包括直接由火焰面查詢表獲得凈反應(yīng)速率(NO-NET模型)和采用輸運(yùn)方程求解的NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)修正逆反應(yīng)速率(NO-PC模型)。利用所建立的基于火焰面方法的燃燒模型和NO_x排放預(yù)測(cè)模型,對(duì)兩種不同類型火焰進(jìn)行了數(shù)值模擬,驗(yàn)證了所發(fā)展的燃燒模型和NO_x排放預(yù)測(cè)模型的精度和適用性。通過對(duì)Cabra部分預(yù)混抬舉火焰進(jìn)行模擬,研究了建表方法對(duì)火焰抬舉預(yù)測(cè)的影響,包括層流火焰面數(shù)據(jù)庫構(gòu)建方法和反應(yīng)進(jìn)度變量PDF,表明在火焰抬舉的預(yù)測(cè)上,采用β-PDF作為反應(yīng)進(jìn)度變量PDF的FPV和FGM模型具有較高的精度,而采用δ-PDF作為反應(yīng)進(jìn)度變量PDF的FPV和FGM模型也出現(xiàn)較大偏差,穩(wěn)態(tài)層流火焰面模型(SLFM)是失效的。通過對(duì)鈍體穩(wěn)定火焰HM1的模擬,研究了層流火焰面數(shù)據(jù)庫構(gòu)建方法、反應(yīng)進(jìn)度變量PDF、輻射和化學(xué)反應(yīng)機(jī)理對(duì)流動(dòng)、混合、燃燒和NO_x預(yù)測(cè)精度的影響,以及NO_x預(yù)測(cè)模型對(duì)NO_x預(yù)測(cè)精度的影響。層流火焰面數(shù)據(jù)庫構(gòu)建方法、反應(yīng)進(jìn)度變量PDF、輻射和化學(xué)反應(yīng)機(jī)理對(duì)主要熱力化學(xué)參數(shù)的預(yù)測(cè)影響較小。層流火焰面數(shù)據(jù)庫構(gòu)建方法和NO_x預(yù)測(cè)模型都對(duì)NO_x生成的預(yù)測(cè)有著非常大的影響,基于FGM模型的NO-PC NO_x預(yù)測(cè)模型在NO_x預(yù)測(cè)上具有較高的精度,而NO-NET NO_x預(yù)測(cè)模型則出現(xiàn)高估,基于FPV模型的NO_x預(yù)測(cè)模型也高估了NO_x的生成。反應(yīng)進(jìn)度變量PDF對(duì)NO_x預(yù)測(cè)精度的影響較小�；瘜W(xué)反應(yīng)機(jī)理和輻射都對(duì)NO_x預(yù)測(cè)精度有非常重要的影響,選擇能夠詳細(xì)考慮NO_x生成的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理對(duì)提高NO_x預(yù)測(cè)精度是很重要的,同時(shí)考慮高溫燃?xì)廨椛淠軌蛴行岣逳O_x預(yù)測(cè)精度。本文采用多種光學(xué)測(cè)量方法,對(duì)兩種雙旋流燃燒室的流動(dòng)和燃燒流場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。針對(duì)采用氣膜冷卻的斜切徑向雙旋流燃燒室,借助相干反斯托克斯喇曼散射(CARS)、可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TDLAS)和自發(fā)振動(dòng)喇曼散射(SVRS)對(duì)溫度和主要組分(H_2O、CO_2、O_2和N_2)相對(duì)濃度進(jìn)行了測(cè)量。針對(duì)采用多斜孔冷卻的斜切徑向雙旋流燃燒室,采用二維粒子圖像測(cè)速儀(PIV)對(duì)速度場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量,同時(shí)研究了旋流器進(jìn)氣面積和旋流強(qiáng)度對(duì)燃燒室流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和湍流特征的影響,表明旋流器進(jìn)氣面積和旋流強(qiáng)度主要對(duì)二次區(qū)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、旋流和主燃射流附近的湍流特征有較大影響。本文開發(fā)了一套可用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中三維兩相湍流燃燒和NO_x排放模擬的數(shù)值計(jì)算軟件。在LISA液膜破碎模型和KHRT液滴破碎模型基礎(chǔ)上,建立了能夠考慮非平衡效應(yīng)的非平衡Langmuir-Knudsen模型,用于模擬燃燒室的霧化和蒸發(fā)過程。針對(duì)采用氣膜冷卻的斜切徑向雙旋流燃燒室,開展了三維兩相湍流燃燒流場(chǎng)數(shù)值模擬,并與CARS、TDLAS和SVRS測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證,表明反應(yīng)進(jìn)度變量采用β-PDF能夠較好地捕捉主燃區(qū)內(nèi)未燃混合物被回流燃?xì)恻c(diǎn)燃過程和火焰抬舉現(xiàn)象,采用β-PDF作為反應(yīng)進(jìn)度變量PDF的FGM模型(FGM-β)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室燃燒特性的模擬具有較高的精度。針對(duì)采用多斜孔冷卻的斜切徑向雙旋流燃燒室,將FGM-β模型應(yīng)用于燃燒流場(chǎng)模擬和性能分析,研究了旋流器進(jìn)氣面積和旋流強(qiáng)度對(duì)燃燒室燃燒流場(chǎng)和性能的影響,表明旋流器進(jìn)氣面積和旋流強(qiáng)度都對(duì)燃燒流場(chǎng)和出口溫度分布有著非常重要的影響。本文對(duì)貧油直接噴射(LDI)燃燒室的三維兩相湍流燃燒和NO_x排放進(jìn)行了數(shù)值模擬,并將NO_x排放計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比,表明基于非絕熱FGM模型的NO-PC NO_x預(yù)測(cè)模型在LDI燃燒室NO_x排放的預(yù)測(cè)上具有較高的精度,誤差小于2%�？紤]輻射可以降低20%的出口平均EINO,同時(shí)考慮詳細(xì)的NO_x生成機(jī)理有助于提高LDI燃燒室中NO_x排放的預(yù)測(cè)精度。通過數(shù)值研究LDI燃燒室中流動(dòng)、混合、燃燒和NO_x排放的耦合問題,揭示了NO_x生成的機(jī)理,并給出了NO_x排放與中心單元凹陷深度的關(guān)系。
【圖文】：

于混合不均勻造成局部熱點(diǎn)問題，如圖 1-4 所示。由于取消了預(yù)混段，有效避免了LPP燃燒室自燃和回火的問題，，是未來低污染燃燒技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。Tacina 對(duì)比了 LPP、RQL 和 LDI 三種低污染燃燒室概念的 NOx排放水平，證明了 LDI 的降低 NOx排放的能力[10]，由于需要進(jìn)行快速而均勻的油氣混合，LDI燃燒室的設(shè)計(jì)極大地依賴混合器的設(shè)計(jì)，包括旋流器、噴嘴以及兩者的配合。

于混合不均勻造成局部熱點(diǎn)問題，如圖 1-4 所示。由于取消了預(yù)混段，有效避免了LPP燃燒室自燃和回火的問題，是未來低污染燃燒技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。Tacina 對(duì)比了 LPP、RQL 和 LDI 三種低污染燃燒室概念的 NOx排放水平，證明了 LDI 的降低 NOx排放的能力[10]，由于需要進(jìn)行快速而均勻的油氣混合，LDI燃燒室的設(shè)計(jì)極大地依賴混合器的設(shè)計(jì)，包括旋流器、噴嘴以及兩者的配合。
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V231.2


本文編號(hào)：2651265