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- 航空发动机燃烧室过渡态燃烧数值模拟研究
- 作者： 王慧汝 来源： 北京航空航天大学 年份： 2016 文献类型 ： 学位论文 关键词： 3航空煤油 详细化学反应机理 航空发动机燃烧室 过渡态 贫油熄火极限 当地Damkohler数 RP
- 描述： 航空发动机燃烧室过渡态燃烧数值模拟研究对于全面掌握燃烧室设计性能、工作特点和有效工作范围，提高燃烧室设计水平，完善我国航空发动机设计体系，有着重要的理论和工程意义。其研究范围主要包括了模拟过渡态燃烧过程和预测过渡态性能参数两大类。本文围绕燃烧室加速过渡态燃烧过程的模拟和贫油熄火极限的预测，以雷诺平均方法作为数值手段，开展了相关的研究工作。首先，通过我国RP-3航空煤油激波管实验和层流预混燃烧实验验证了Honnet等人详细反应机理(131组分1020步反应)作为我国航空煤油详细反应机理的可行性。为方便工程应用，基于相关性分析和主成分分析方法发展了一套新的简化方法，改进了原始相关性分析方法中删除冗余组分的过程及判别标准，改进了原始主成分分析中需要经验给定特征值和特征向量阈值的弊端，同时将简化目标直接引入到相关性分析和主成分分析过程中，实现了指定简化目标即可自动生成满足要求的简化反应机理。通过两个算例验证了简化方法的可行性和正确性。通过带V型火焰稳定器的模型燃烧室实验验证了本文数值计算所采用的湍流模型、燃烧模型、离散相模型和Honnet等人详细化学动力学模型的正确性，并进一步分析了详细反应机理与简化反应机理描述我国RP-3航空煤油两相燃烧流场的差异。其次，通过在商用软件FLUENT中添加自定义函数将燃烧室动态气动边界和供油规律耦合起来，实现了燃烧室加速过渡态过程热态流场的近似计算。并以某环形燃烧室从地面慢车到最大状态的过渡态过程作为算例，研究了本文过渡态近似计算方法与传统过渡态计算方法（即将过渡态过程分解成不同时刻的工况点，对每个工况点单独进行稳态计算）温度场计算结果的差异，时间步长对过渡态温度场计算结果的影响，以及不同供油规律对燃烧室出口温度场的影响。结果表明：过渡态计算的出口温度比同一时刻工况参数下的稳态计算结果偏低；在周向方向，过渡态计算的出口温度场相对于稳态计算结果更加不均匀。过渡态计算的出口温度相对于油气比的变化在时间上具有一定的滞后性。同时，时间步长是影响过渡态计算的关键因素，较小的时间步长能够使不同时刻流场参数之间的相互联系更加紧密，计算结果也更接近于真实过渡态过程。此外，不同供油规律对燃烧室出口温度场有较大的影响。最后，基于雷诺平均求解的燃烧流场和Damkohler数的物理意义发展了一套预测航空发动机燃烧室中非预混火焰贫油熄火极限的方法。该方法通过航空煤油可燃边界识别燃烧流场的火焰区域，利用当地Damkohler数的物理意义（化学反应时间尺度和流动时间尺度根据燃烧流场当地参数进行计算）判断火焰区域内每个网格单元局部火焰的稳定性，最终通过整体分析燃烧流场中的火焰结构来预测贫油熄火极限。通过V型火焰稳定器和环形燃烧室算例对预测方法进行了详细的分析和校验，研究了三种当地Damkohler数计算方法和临界Damkohler数的选择对贫油熄火极限预测结果的影响。结果表明：临界Damkohler数与所采用的当地Damkohler数计算方法相关，通过调整相应的临界Damkohler数，本文给出的三种当地Damkohler数计算方法均能够合理地预测贫油熄火极限。