燃烧室高空低温低压点火试验及数值模拟研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:aqqz2000
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发动机在高空条件下,由于吸雨、吸雹和进气畸变等因素使得进入燃烧室的气流不稳定,容易引发燃烧室熄火现象,高空环境下,空气温度及压力较低,燃油的雾化蒸发效果较差,造成点火较为困难。目前国内外关于燃烧室在高空极端条件下的再点火研究较少,低温低压环境对燃烧室高空再点火的作用机制尚不明确。针对上述问题及研究现状,本文以单头部及五头部线性排列模型燃烧室为研究对象,对低温低压环境中的流场、燃油分布、燃烧室点火及联焰过程进行研究,揭示进气环境对流场、燃油分布及点火过程的作用机制,为拓宽燃烧室高空点火边界提供理论支持。本文首先对钝体燃烧室进行冷态及热态数值模拟研究并与试验结果进行比较,从而验证数值模拟方法的准确性;然后分别以单头部及五头部线性排列燃烧室为研究对象,探究了气流速度及低温低压环境对点火边界、火焰传播及联焰过程的作用机制,同时辅助流场及燃油分散特性进行分析;另外采用数值模拟的方法研究了流场与火焰传播的作用规律,同时对不同点火位置的火焰传播过程进行研究。本文主要研究内容及结论包括:(1)以钝体燃烧室为研究对象,对数值模拟方法准确性进行验证,结果表明采用LES能够捕捉到更多细小的涡结构,与实验结果较接近,而RANS方法在冷态模拟上具有一定的工程意义;采用增厚火焰模型得到的火焰传播结果,其火焰形状及传播路径与试验结果保持较好的一致性。(2)以单头部燃烧室及五头部线性排列燃烧室为研究对象,进行了气流速度、进气压力及进气温度对单头部流场及相邻头部之间流场相互作用的研究,结果表明,在单头部燃烧室中,气流速度的增加使得回流区尺寸、回流强度及湍流强度增大;进气压力及进气温度的降低使得回流区宽度减小。对于相邻头部之间的流场作用,随着气流速度的增加,中心头部回流区尺寸变小,进气压力的降低,中心头部回流区尺寸变大。(3)以单头部模型燃烧室及五头部线性排列燃烧室为研究对象,进行了气流速度、进气压力及进气温度对单头部燃油分布及相邻头部之间燃油分布相互作用的研究,结果表明,在单头部燃油分布特性中,气流速度的增加改善了燃油分散特性;低温低压条件下,燃烧室中燃油浓度增加。对于相邻头部之间的燃油分布的相互作用,气流速度的增加使得中间头部的燃油分布宽度减小,进气压力的减小使得中心头部的燃油分布宽度增加。(4)以单头部模型燃烧室为研究对象,开展了气流速度、进气压力、进气温度及燃油温度对燃烧室点火及火焰传播的研究。结果表明,在旋流器压降小于3%时,随着气流速度的增加,点火当量比减小,传播路径A的制约因素为气流速度及燃油浓度,路径C的制约因素为热释放量与对流换热消耗的热量;进气压力、进气温度及燃油温度的降低均使点火当量比增大。当燃油雾化质量较好时,点火当量比的主要制约因素为进气压力;当燃油雾化质量较差时,点火当量比的主要制约因素为燃油雾化质量。低温低压下火焰首先将燃油浓度较高的下游区域引燃,然后向上游传播。火焰在传播过程中主要与周围流场有关,最佳点火位置位于回流区边缘中心位置。(5)以五头部线性排列模型燃烧室为研究对象,开展了气流速度、进气压力及进气温度对燃烧室点火及联焰特性的研究。结果表明,在旋流器压降小于3%时,气流速度的增加使得最小点火当量比减小,进气压力及温度的增加使得点火当量比增大,进气压力对点火边界的影响远高于进气温度的影响;气流速度增加、进气温度及压力的降低均使得点火延迟时间增加,其中气流速度影响物理延迟过程,进气温度对化学延迟过程的影响更显著;由于流场结构和燃油分布的差异,相邻头部之间存在径向传播和轴向传播两种联焰路径,其中径向传播是较稳定的传播模式。
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