發(fā)布時間：2020-05-06 12:35

【摘要】：由于對航空發(fā)動機的排放標準日益嚴苛,低污染成為航空發(fā)動機燃燒室的重要設計指標之一,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,從而需要對先進低污染燃燒室燃燒組織和NO_x排放生成機理開展研究。針對燃燒室的湍流燃燒過程和NO_x排放預測開展數(shù)值方法研究,對揭示NO_x排放生成機理、探索燃燒組織方法和指導燃燒室設計具有重要的意義。本文圍繞航空發(fā)動機燃燒室中的湍流燃燒和NO_x排放的數(shù)值計算問題,開展了基于火焰面方法的燃燒模型和NO_x排放預測模型研究。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)庫構建方法、反應進度變量PDF以及β-PDF處理方法等。分別采用δ-PDF和β-PDF作為反應進度變量PDF,建立了火焰面/進度變量(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)值預測方面,考慮到NO生成與溫度的強相關性,通過將焓損失引入層流火焰面數(shù)據(jù)庫中擴展FPV和FGM模型,建立了非絕熱FPV和FGM模型,并發(fā)展了簡化輻射模型光學薄模型(OTM),完善了非絕熱流場的求解方法,同時保持了較高計算效率�？紤]到NO生成過程是一個慢反應且生成量較小,采用單獨求解NO質量分數(shù)輸運方程的方式進行NO_x的預測,建立了兩種源項處理方法,包括直接由火焰面查詢表獲得凈反應速率(NO-NET模型)和采用輸運方程求解的NO質量分數(shù)修正逆反應速率(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排放預測模型,對兩種不同類型火焰進行了數(shù)值模擬,驗證了所發(fā)展的燃燒模型和NO_x排放預測模型的精度和適用性。通過對Cabra部分預混抬舉火焰進行模擬,研究了建表方法對火焰抬舉預測的影響,包括層流火焰面數(shù)據(jù)庫構建方法和反應進度變量PDF,表明在火焰抬舉的預測上,采用β-PDF作為反應進度變量PDF的FPV和FGM模型具有較高的精度,而采用δ-PDF作為反應進度變量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)庫構建方法、反應進度變量PDF、輻射和化學反應機理對流動、混合、燃燒和NO_x預測精度的影響,以及NO_x預測模型對NO_x預測精度的影響。層流火焰面數(shù)據(jù)庫構建方法、反應進度變量PDF、輻射和化學反應機理對主要熱力化學參數(shù)的預測影響較小。層流火焰面數(shù)據(jù)庫構建方法和NO_x預測模型都對NO_x生成的預測有著非常大的影響,基于FGM模型的NO-PC NO_x預測模型在NO_x預測上具有較高的精度,而NO-NET NO_x預測模型則出現(xiàn)高估,基于FPV模型的NO_x預測模型也高估了NO_x的生成。反應進度變量PDF對NO_x預測精度的影響較小�；瘜W反應機理和輻射都對NO_x預測精度有非常重要的影響,選擇能夠詳細考慮NO_x生成的化學反應機理對提高NO_x預測精度是很重要的,同時考慮高溫燃氣輻射能夠有效提高NO_x預測精度。本文采用多種光學測量方法,對兩種雙旋流燃燒室的流動和燃燒流場進行了試驗研究。針對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)、可調諧半導體激光吸收光譜(TDLAS)和自發(fā)振動喇曼散射(SVRS)對溫度和主要組分(H_2O、CO_2、O_2和N_2)相對濃度進行了測量。針對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速儀(PIV)對速度場進行了測量,同時研究了旋流器進氣面積和旋流強度對燃燒室流場結構和湍流特征的影響,表明旋流器進氣面積和旋流強度主要對二次區(qū)流場結構、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)動機燃燒室中三維兩相湍流燃燒和NO_x排放模擬的數(shù)值計算軟件。在LISA液膜破碎模型和KHRT液滴破碎模型基礎上,建立了能夠考慮非平衡效應的非平衡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數(shù)值模擬,并與CARS、TDLAS和SVRS測量結果進行了對比驗證,表明反應進度變量采用β-PDF能夠較好地捕捉主燃區(qū)內(nèi)未燃混合物被回流燃氣點燃過程和火焰抬舉現(xiàn)象,采用β-PDF作為反應進度變量PDF的FGM模型(FGM-β)對航空發(fā)動機燃燒室燃燒特性的模擬具有較高的精度。針對采用多斜孔冷卻的斜切徑向雙旋流燃燒室,將FGM-β模型應用于燃燒流場模擬和性能分析,研究了旋流器進氣面積和旋流強度對燃燒室燃燒流場和性能的影響,表明旋流器進氣面積和旋流強度都對燃燒流場和出口溫度分布有著非常重要的影響。本文對貧油直接噴射(LDI)燃燒室的三維兩相湍流燃燒和NO_x排放進行了數(shù)值模擬,并將NO_x排放計算結果與試驗進行對比,表明基于非絕熱FGM模型的NO-PC NO_x預測模型在LDI燃燒室NO_x排放的預測上具有較高的精度,誤差小于2%。考慮輻射可以降低20%的出口平均EINO,同時考慮詳細的NO_x生成機理有助于提高LDI燃燒室中NO_x排放的預測精度。通過數(shù)值研究LDI燃燒室中流動、混合、燃燒和NO_x排放的耦合問題,揭示了NO_x生成的機理,并給出了NO_x排放與中心單元凹陷深度的關系。
【圖文】：

于混合不均勻造成局部熱點問題，如圖 1-4 所示。由于取消了預混段，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的一個重要發(fā)展方向。Tacina 對比了 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]，由于需要進行快速而均勻的油氣混合，LDI燃燒室的設計極大地依賴混合器的設計，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問題，如圖 1-4 所示。由于取消了預混段，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的一個重要發(fā)展方向。Tacina 對比了 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]，由于需要進行快速而均勻的油氣混合，LDI燃燒室的設計極大地依賴混合器的設計，包括旋流器、噴嘴以及兩者的配合。
【學位授予單位】：西北工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：V231.2


本文編號：2651265