基于布雷頓循環(huán)的燃氣輪機已經達到了非常高的熱動力學效率,進一步提高循環(huán)熱效率需要付出高昂的代價。從突破傳統(tǒng)布雷頓循環(huán)等壓燃燒熱力過程的角度出發(fā),爆轟燃燒技術為提高船用燃氣輪機性能提供了有效途徑。船用動力系統(tǒng)多用于液態(tài)燃料,然而,目前對液態(tài)燃料連續(xù)旋轉爆轟燃燒技術的研究還不夠成熟,液態(tài)燃料的超細霧化以及氣液兩相摻混等成為當前亟需解決的工程問題。因此,本文探索適用于柴油-空氣燃料爆轟燃燒的超細霧化方法,為實現(xiàn)液態(tài)燃料連續(xù)旋轉爆轟燃燒船用燃氣輪機的工程應用提供技術支撐。本文針對出口截面半高度為13mm、出口馬赫數(shù)為2的拉法爾霧化噴管進行數(shù)值模擬研究,其研究過程利用多相流理論,結合拉格朗日粒子追蹤法和界面追蹤法以及二者的耦合計算方法,使用RNG湍流模型,并考慮粒子重力的影響。在滿足連續(xù)連續(xù)旋轉爆轟燃燒室內霧滴群不發(fā)生慣性分離條件下,歸納出了符合技術指標的最佳霧化方案。本文的主要研究工作如下:(1)根據(jù)已知的實驗結果,建立了適用于超聲速橫向射流霧化研究的二次霧化模型,發(fā)現(xiàn)KHRT和WAVE二次霧化模型對穿透深度的模擬結果更接近于PDPA的測量結果,KHRT霧化模型對霧滴群的索特爾平均直徑(SMD)模擬結果與實驗結果的誤差在11%左右。(2)研究了液滴、液柱在不同馬赫數(shù)來流氣體條件下的變形、運動、界面失穩(wěn)等過程,發(fā)現(xiàn)VOF模型可顯示母液滴的剪切破碎及爆炸破碎過程,但是對于液柱表面的尖釘結構及混合區(qū)的捕捉效果不是理想。此外,研究發(fā)現(xiàn)在聲速條件下,水橫向射流的穿透深度隨著動壓比的增加而升高。(3)根據(jù)柴油燃料的爆轟胞格尺寸確定了連續(xù)旋轉爆轟燃燒室的環(huán)縫寬度為26mm,設計了出口半高度為13mm、馬赫數(shù)為2的拉法爾噴管;在拉法爾噴管喉部橫向射流下,確定了最佳噴射位置,在喉部、環(huán)槽0.1mm橫向噴射時,噴管出口霧滴群的平均SMD為4.2μm,氣溶膠達到穩(wěn)定性位置在x/d=200。同樣條件下在圓弧右端點P噴射時,霧滴群的平均SMD為8.18μm,氣溶膠達到穩(wěn)定性位置在x/d=100;在喉部、環(huán)槽0.1mm橫向噴射時,結合界面追蹤法與拉格朗日粒子追蹤法耦合計算方法對噴管進行二維數(shù)值模擬研究,可顯示液體射流的一次霧化和二次霧化過程,噴管出口霧滴群的SMD為5.03μm,并且氣溶膠達到穩(wěn)定性位置在x/d=50(即距離噴射位置5mm)。確定了燃料在噴管內部駐留時間為181μs。(4)確定了霧滴群在連續(xù)旋轉爆轟燃燒室內不發(fā)生慣性分離的最大SMD為6μm;進而探究了來流氣體物性參數(shù)、噴嘴幾何結構及氣液比對霧化性能的影響。研究發(fā)現(xiàn):來流氣體溫度對噴嘴霧化性能的影響不大,當量比小于2.5時,噴嘴霧化性能滿足預計霧化指標。(5)在噴嘴的變工況霧化性能分析中,進氣壓力分別為4bar、5bar工況下,該噴嘴滿足設計要求,進氣壓力3bar工況時不滿足;在進口壓力4bar,溫度497.5K,當量比為1條件下,新型拉法爾噴管出口速度在500-800m/s之間,平均速度為734.12m/s,Ma為1.64,出口當量比分布在0.5-1.2之間,平均當量比為0.75。
【學位單位】：哈爾濱工程大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2017
【中圖分類】：TQ511.1
【部分圖文】：

式中，Ｒｅ、Ｗｅｂｅｒ是雷諾數(shù)與韋伯數(shù)，是噴嘴直徑，盡管直射式噴嘴擁有結構簡單，逡逑結實耐用，流動損失小等優(yōu)點，但是其霧化質量較差。逡逑２、壓力旋流霧化噴嘴，也稱作簡單離心式噴嘴，顧名思義，它是利用較高的液態(tài)燃逡逑料壓力差驅使燃油在噴嘴處產生油膜進而發(fā)生霧化，在噴嘴內部液態(tài)燃料要經過旋流件逡逑進而發(fā)生高速旋轉，隨后經過一個漸縮通道對燃油進行加速，目的是利用液體在噴嘴出逡逑口處與空氣產生高速的速度差進而發(fā)生破碎、霧化。氣旋流件與壓力差對燃油的霧化性逡逑能影響甚大，因此在做試驗時對試驗臺的要求很高。２００９年，北京理工大學姜磊等人逡逑利用壓力霧化噴嘴對生物柴油進行試驗與數(shù)值模擬，相同工況條件下的生物柴油（Ｂ１００）逡逑和柴油（Ｄ）噴霧特性的索特爾平均直徑（ＳＭＤ）比較如圖１．２所示。噴孔直徑０．２８ｍｍ，逡逑噴油壓力７０ＭＰａ，壓力背景壓力１．７ＭＰａ的條件下，數(shù)值模擬采用ＫＨＲＴ霧化模型，使逡逑數(shù)值模擬結果和試驗很好的吻合，索特爾平均直徑（ＳＭＤ）在１０（＿ｕｒｉ以下。２０１４年，沈逡逑陽黎明航空發(fā)動機有限公司李明等人［２（）］對航機艦改的壓力霧化噴嘴進行對比試驗，在副逡逑油路單獨工作條件下，對航空煤油和輕柴油均能霧化到２５邋Ｐｍ以內，試驗噴嘴結構圖及逡逑簡圖如圖１．３。逡逑

式中，Ｒｅ、Ｗｅｂｅｒ是雷諾數(shù)與韋伯數(shù)，是噴嘴直徑，盡管直射式噴嘴擁有結構簡單，逡逑結實耐用，流動損失小等優(yōu)點，但是其霧化質量較差。逡逑２、壓力旋流霧化噴嘴，也稱作簡單離心式噴嘴，顧名思義，它是利用較高的液態(tài)燃逡逑料壓力差驅使燃油在噴嘴處產生油膜進而發(fā)生霧化，在噴嘴內部液態(tài)燃料要經過旋流件逡逑進而發(fā)生高速旋轉，隨后經過一個漸縮通道對燃油進行加速，目的是利用液體在噴嘴出逡逑口處與空氣產生高速的速度差進而發(fā)生破碎、霧化。氣旋流件與壓力差對燃油的霧化性逡逑能影響甚大，因此在做試驗時對試驗臺的要求很高。２００９年，北京理工大學姜磊等人逡逑利用壓力霧化噴嘴對生物柴油進行試驗與數(shù)值模擬，相同工況條件下的生物柴油（Ｂ１００）逡逑和柴油（Ｄ）噴霧特性的索特爾平均直徑（ＳＭＤ）比較如圖１．２所示。噴孔直徑０．２８ｍｍ，逡逑噴油壓力７０ＭＰａ，壓力背景壓力１．７ＭＰａ的條件下，數(shù)值模擬采用ＫＨＲＴ霧化模型，使逡逑數(shù)值模擬結果和試驗很好的吻合，索特爾平均直徑（ＳＭＤ）在１０（＿ｕｒｉ以下。２０１４年，沈逡逑陽黎明航空發(fā)動機有限公司李明等人［２（）］對航機艦改的壓力霧化噴嘴進行對比試驗，在副逡逑油路單獨工作條件下，對航空煤油和輕柴油均能霧化到２５邋Ｐｍ以內，試驗噴嘴結構圖及逡逑簡圖如圖１．３。逡逑

能霧化固體工質，霧化工質可借助來流氣體（亞聲速或者超聲速）的橫向射流和同軸射逡逑流兩種形式，目前對空氣霧化噴嘴的研宄十分廣泛。其研究形式多種多樣，試驗研宄，逡逑數(shù)值模擬中也有界面追中發(fā)和拉格朗日粒子非穩(wěn)態(tài)追蹤法兩種，ｆｏｒｔｒａｍ編程，ｏｐｅｎｆｏｒｍ－逡逑Ｌｉｎｕｘ等。超細霧化是指粒子平均直徑在２０－４０，之間的顆粒群，亞聲速氣流的空氣霧逡逑化噴嘴大多數(shù)是可以達到次要求的，２００３年至今，北京航空航天大學一直在對空氣霧逡逑化噴嘴進行相關研究。２００３年，安輝等人設計了一種內混式氣動霧化噴嘴如圖１．４所逡逑示，并對其進行了試驗研[�，栽彥气压�

本文編號：2829067