等离子体射流助燃下支板凹腔燃烧室的燃烧特性

等离子体射流作为一种有效的点火助燃方式在超声速燃烧室中得到了广泛的应用,但是目前大都是与传统的壁面燃料喷注方式相结合,而与中心燃料喷注方式的结合较少.为了扩大燃烧范围,本文将等离子体射流引入了带有交替尾缘结构的支板-凹腔燃烧室中.通过三维数值计算,研究了超声速气流中支板燃料喷注总压、凹腔燃料喷注总压、等离子体射流喷注总...     

过贫当量比下贫预混旋流燃烧室点火燃烧特性

为确保贫预混旋流燃烧室能在过贫当量比条件下具有良好的点火性能,基于不同的点火燃料比,对贫预混旋流燃烧室在过贫当量比为0.013~0.502条件下的点火燃烧特性进行了实验研究.结果表明:在点火燃料比为10%、15%和20%条件下,贫预混旋流燃烧室能够分别在当量比区间为0.063~0.251、0.042~0.377和0.050~0.502内成功点火,并通过实验结果拟合计算出最小点火当量比分别为0.063、0.039和0.011;而燃烧室在点火燃料比为5%条件下均点火失败;随着当量比的减小,由于空气流量的增加而导致燃烧室出口温升逐渐减小,燃烧室烟气排放中CH4和CO浓度增加,燃烧效率也随之降低;虽然燃烧室在高点火燃料比时能够在更贫的当量比条件下点火成功,但由于过多的空气流量而导致燃烧室燃烧效率降低和污染物排放增多.保持一定的点火燃料流量对贫预混旋流燃烧室在过贫当量比条件下高效快速启动十分有利.     

涡流阀式变推力发动机性能影响因素数值研究

先进的推力调节技术一直是固体火箭发动机发展的重要方向之一,利用旋流效应的涡流阀方案是固发推力调节的一种有效方式.文中采用建立的三维数值模型,对影响涡流阀式变推力发动机调节性能的几何结构、控制气流属性等因素开展了数值研究.计算结果表明:控制气流动量是影响推力调节性能的一个重要参数,推力调节比随着控制流质量流率和喷射速度的增加而增加;在一定控制流量下适当减小控制气流喷孔直径可以提高调节性能;减小涡流室高度可以一定程度上提高发动机调节性能,但是会增加气流与壁面的摩擦损失;增加涡流室半径可以提高调节性能,但是会增加发动机消极质量;由于分子量较小,氦气作为控制气流的工况比氮气作为控制气流的工况可以达到更高的推力调节比、更小的比冲损失;通过拟舍得到了控制流流量、温度与调节性能之间的曲线关系,在不变涡流阀发动机构型的条件下,可以通过公式预测不同流量、温度下的发动机性能.研究结果为变推力发动机设计与优化提供了参考.     

超高压喷射对直喷柴油机混合气形成、燃烧及排放特性的影响

为了分析高压喷射对混合气的形成和燃烧排放特性的影响,在自行开发燃烧系统的2.0LCR直喷柴油机上,仿真分析了喷射压力对喷雾特性以及浓度场等微观物理场的影响,并引入表征两相流中液滴破碎作用强度的无量纲的Jet数,分析了在喷射方向不同空间位置上喷射压力对Jet数及其变化规律的影响;在此基础上通过试验和仿真相结合,预测分析了高压喷射对发动机性能的影响。结果表明:当提高喷射压力时,Jet数会增加,Jet数的变化范围会增大,还可改善喷雾质量,促进混合气的形成,缩短燃烧持续期,而且有利于减小燃烧室壁面形成的油膜厚度及其滞留时间,从而降低HC排放。但超高压喷射时会导致缸内平均燃烧温度过高,不仅NO排放增加,而且会造成CO_2高温分解使CO排放增加。     

燃气轮机燃烧室燃烧气体燃料的数值模拟

采用数值模拟方法对燃气轮机环形燃烧室燃烧天然气、中低热值燃料进行燃烧性能的数值分析。根据该燃机的结构特点建立了包括扩压器、机匣等部件计算几何模型;计算中采用SIM-PLE算法,可实现k-ε双方程湍流模型,六通量辐射模型、非绝热概率密度函数(PDF)燃烧模型及热力型NO模型对其进行燃烧数值模拟,分析了燃气轮机环形燃烧室燃烧3种燃料性能。计算结果表明:该燃机燃烧天然气、中热值燃料燃烧性能均能达到设计状态,而燃烧低热值燃料燃烧室出口温度较低,表明燃烧过程的数值模拟可为进一步优化燃烧室的结构,改善流场结构提供有用的设计依据,适合于工程应用。     

液态LPG中心喷射发动机混合气形成的研究

当液态LPG以5MPa高压直接喷入气缸时,将发生剧烈地闪急沸腾现象,这对于改善壁面引导式燃烧系统的缸内直喷发动机的燃料附壁现象、降低HC排放具有非常积极的作用。在验证了采用的计算方法可行性的基础上,就提出的中心喷射的壁面引导式燃烧室结构,数值解析了电控LPG缸内直喷发动机在不同负荷工况时混合气的形成过程。结果表明:部分负荷时采用压缩过程中后期喷射,15°BTDC时缸内可形成理想的分层构造;大负荷时采用进气中期130°ATDC喷射,在压缩冲程末期可形成均质功率混合气。     

微型涡喷发动机燃烧室全覆盖气膜冷却

为了延长微型涡喷发动机燃烧室的使用寿命,针对燃烧室壁面高温区进行全覆盖气膜冷却研究. 在KJ-66微型涡喷发动机试车实验的基础上,比较实际燃烧工况下,排布方式和燃烧室外环的扩张孔对气膜冷却效果及燃烧室整体性能的影响. 结果表明,在实际微型涡喷发动机模型中,顺排的平均综合冷却效率低于叉排,但对壁面的综合降温效果优于叉排. 随着扩张孔出口直径的增大,气膜冷却效果逐渐改善,但会影响燃烧室出口温度分布的均匀性. 由于燃烧室后排冷却孔的影响,二次流射入主流会发生偏转,提升了气膜的冷却效果. 整体而言,全覆盖气膜冷却在实际燃烧工况下对燃烧室壁面有着很好的冷却作用,扩张型气膜孔能够有效改善燃烧室外环的气膜冷却效果.     

高压直喷天然气发动机HC排放

为了研究直喷天然气发动机碳氢的排放规律和影响因素,以一台电控增压直喷天然气发动机为对象,在不同工况下进行实验测试.为了分析转速、负荷、轨压和燃料喷射时刻对碳氢生成的影响,分别设计3组对比实验,在实验过程中采集示功图和碳氢排放,结合燃烧参数和排放结果分析.试验结果表明:采用过高或者过低的喷射压力均会使碳氢排放增加.在燃料喷射较晚时,碳氢排放随转速的增加而增加,在燃料喷射较早时,低转速下碳氢排放高于中高转速下的碳氢排放;中高转速下,随燃料喷射的提前,碳氢排放总体呈减小趋势,在低转速下,随燃料喷射提前,碳氢排放呈增加小幅增加的趋势.低负荷时碳氢排放明显高于中高负荷时碳氢排放;当中低负荷时,碳氢排放随燃料喷射的提前而降低,当高负荷时,碳氢排放受燃料喷射时刻的影响较小.     

燃料分配对燃气轮机燃烧室燃烧特性影响的研究

应用燃烧试验台完成了某重型燃气轮机DLN(Dry-low NOx)燃烧室烧天然气时,燃料分配比例对燃烧特性影响的试验研究。试验结果表明:对于预混-扩散混合燃烧燃烧室,在总余气系数不变的情况下,增加预混燃料比例有利于燃烧室出口温度场均匀性提高,特别是周向温度分布系数(OTDF)对燃料分配比例尤为敏感;仅靠增加预混燃料不能降低NOx含量,预混均匀性是决定NOx的关键因素。这一结论为燃机的设计、改进提供了可靠参考和依据。     

超紧凑燃烧室燃烧组织方式影响燃烧性能的数值研究

以试验室的超紧凑燃烧室设计模型为研究对象,用Realizable k-ε湍流模型模拟高速旋转湍流,用非预混燃烧的混合分数/PDF模型模拟燃烧反应。通过超紧凑型燃烧室在贫油燃烧、化学当量比燃烧和富油燃烧等不同燃烧组织方式下的燃烧温场、出口温度场品质、燃烧效率以及污染物排放等燃烧性能的对比分析,研究了不同的燃烧组织方式对超紧凑燃烧室的燃烧性能影响。贫油燃烧组织方式对环形凹腔内燃烧影响较大,对于当量比增大的富油燃烧组织方式,火焰在凹腔底部连通,并通过叶片径向斜槽与一次空气流混合并实现完全燃烧;贫油燃烧方式的燃烧效率、出口温度品质和污染物排放等燃烧性能较好。计算结果与他人试验结果在燃烧室中央区域符合较好,对UCC燃烧室设计具有参考价值。     

某重型燃气轮机燃烧室三维流场数值模拟

以某重型燃气轮机为原型,以该燃气轮机燃烧室为研究对象,采用数值模拟的方法对燃烧室内冷态流动展开研究。研究结果表明:气流在环形燃烧区和中心燃烧区都能形成良好的回流,旋流器能够很好地组织燃料的旋流;在燃烧室头部的主燃区中,CH_4气体主要集中在旋流器后方的一个小区域内;在燃料喷嘴后方存在一个缺氧区,除此区域之外,氧气浓度均较高。由此证明,在该燃烧室内燃料与氧气能充分混合。     

H2O/CO2组分对氢和乙烯超声速燃烧室性能影响数值模拟

文章采用数值计算方法,评估了H2O与CO2两种污染组分对氢、乙烯超声速燃烧室性能的影响。针对纯净空气和含H2O/CO2污染空气,在来流总温、总压、马赫数、氧气摩尔含量、燃料当量油气比相当的条件下对氢、乙烯超声速燃烧室分别进行了三维、二维燃烧流场数值模拟,其中氢气当量比为0.42,乙烯当量比为0.57。计算中考虑的H2O组分摩尔含量包括7.5%和17.5%,CO2组分摩尔含量为7.5%。最后,将数值计算结果与相应实验测量值进行了对比分析。研究结果表明:数值计算结果与实验测量值比较接近,反映的H2O、CO2污染组分影响趋势一致的,计算结果可以有效分辨出污染组分对燃烧室性能的影响;H2O、CO2污染组分的存在降低了燃烧总温升、燃烧效率,进而降低了燃烧室壁面压力,总体上造成燃烧室性能的下降。     

混合气形成的多维数值研究

改进设计了高压共轨直喷式柴油机缩口型燃烧室,利用FIRE软件针对不同燃烧室结构对燃烧室内气流特性的影响进行了多维数值模拟。研究了高压共轨喷射系统与缩口直喷式燃烧室匹配时不同喷射参数对燃烧室内流场、浓度场和温度场分布特性的影响,以及混合气形成过程的微观特性。研究结果表明：改进后的缩口直喷式燃烧室能够合理地利用喷雾的动能,提高燃烧室内的气流强度及其保持性,从而加强燃烧开始后燃油与空气的混合能力,促进扩散燃烧过程。因此,合理的燃烧室形状配合喷射时刻和压力的有效控制能在提高发动机性能的同时降低排放,是高压共轨直喷式柴油机实现高效率低排放的有效途径。     

高压共轨直喷柴油机缩口燃烧室内混合气形成的多维数值研究

改进设计了高压共轨直喷式柴油机缩口型燃烧室,利用FIRE软件针对不同燃烧室结构对燃烧室内气流特性的影响进行了多维数值模拟。研究了高压共轨喷射系统与缩口直喷式燃烧室匹配时不同喷射参数对燃烧室内流场、浓度场和温度场分布特性的影响,以及混合气形成过程的微观特性。研究结果表明:改进后的缩口直喷式燃烧室能够合理地利用喷雾的动能,提高燃烧室内的气流强度及其保持性,从而加强燃烧开始后燃油与空气的混合能力,促进扩散燃烧过程。因此,合理的燃烧室形状配合喷射时刻和压力的有效控制能在提高发动机性能的同时降低排放,是高压共轨直喷式柴油机实现高效率低排放的有效途径。     

棘轮型超紧凑燃烧室全覆盖气膜冷却性能

针对新一代棘轮型超紧凑燃烧室壁面的高温问题,对全覆盖气膜冷却的方式进行了研究。在对KJ-66微型涡喷发动机实验与模拟的基础上,将原燃烧室替换为缩放优化后的棘轮型超紧凑燃烧室。在实际燃烧工况下,对突扩段斜坡和二次补燃区内环上的高温壁面进行全覆盖冷却研究,比较了不同排布方式、孔倾角和扩张型气膜孔对气膜冷却效果的影响。结果表明:突扩段斜坡上圆柱型气膜孔的气膜覆盖性不理想,综合气膜冷却效果欠佳,并且不同排布方式与孔倾角对气膜冷却效果的影响不大;扩张型气膜孔对斜坡的气膜贴壁性和冷却效果都有很大的改善,在45°孔倾角,出口直径0.6 mm的扩张孔模型中,由吹离高温火焰面与气膜叠加覆盖产生的综合冷却效果达到最优;在主流高离心力场的影响下,吹风比较大时二次补燃区下游也能获得较好的气膜贴壁效果;排布方式对二次补燃区气膜冷却效果的影响比孔倾角更明显。在实际燃烧工况下全覆盖气膜冷却对棘轮型超紧凑燃烧室壁面有很好的冷却作用,扩张型气膜孔能有效改善气膜冷却效果。     

双台阶超燃冲压发动机燃烧室流场数值模拟

采用RNGκ-ε湍流模型以及有限速率化学动力学模型,求解了二维Navier-Stokes方程,分别以氢气和乙烯为燃料数值模拟了具有双台阶单凹槽的超燃冲压发动机燃烧室的流场,并与试验数据进行了对比。计算结果表明:双台阶下游和凹槽处出现了有利于燃烧和火焰稳定的回流区;在隔离段入口马赫数2.0左右时,该燃烧室可以实现在亚燃和超燃两种模态下工作,燃烧效率在0.7以上;数值模拟壁面压力分布的结果与相应的试验结果吻合良好。     

F级燃气轮机环形燃烧室设计方法的研究

采用总压恢复系数方法并结合数值模拟验证,进行了F级重型燃气轮机环形燃烧室的设计计算。根据燃烧室设计参数完成了环形燃烧室的总体设计方案,以及旋流器和火焰筒等部件的设计方案。采用数值模拟对设计完成的燃烧室进行性能分析,得出最优的值班燃料入口和预混燃料入口的旋流速度设定。在最优的入口旋流设定下,环形燃烧室内部流场能够形成两个旋转方向相反的回流区,保证了燃烧的稳定。此时燃烧室内的温度场、速度场和气体组成分布均能满足燃烧室的设计要求。     

LPG/柴油混合燃料缸内直喷燃烧的实验研究

在ZS195柴油机上采用液态LPG与柴油预混和,向缸内直接喷射的燃烧方式进行了燃烧实验研究,实验结果与燃烧柴油时的实验结果进行了比较.从结果看出,发动机能在较大的负荷范围内稳定燃烧.较柴油燃烧相比,发动机采用混合燃料燃烧时,其CO的排放有所升高,而HC、NOx及碳烟的排放则有较大幅度的下降,燃料的经济性能较好.     

二冲程CNG直喷发动机混合气形成过程数值解析

二冲程发动机具有结构简单、体积小、升功率高、便于维修等特点而应用广泛,良好的混合气质量可显著提升发动机的动力性、经济性及排放特性。文章采用壁面引导式二冲程压缩天然气CNG直喷发动机作为增程式电动车动力源,利用Solidworks建立二冲程CNG直喷发动机三维实体模型,通过光学纹影实验验证了数学模型的正确性,并采用CFD软件FIRE数值解析了不同工况下不同CNG喷射时刻发动机缸内混合气的形成过程,确定最佳燃料喷射时刻,改善缸内CNG-空气混合气质量。结果表明:增程模式下的部分负荷工况(4 800 r/min、60%负荷),CNG喷射时刻为60°～70°CA BTDC时,在火花塞点火时刻(25°CA BTDC)可形成良好的分层混合气,燃烧室内整体空燃比能达到40∶1;冷启动—暖机工况(1 800 r/min、20%负荷)和大负荷工况(4 800 r/min、100%负荷)运转时,在活塞上行排气道关闭前喷射CNG,优化喷射时刻能形成理想的均质理论混合气,且不造成燃料短路。     

RBCC燃料支板主动冷却的换热特性研究

针对典型的宽域工作火箭冲压组合循环发动机中的主动冷却燃料支板的基准构型,采用经过校验的数值模拟方法,开展了前缘半径、壁厚、流量分配方式对支板冷却效果的影响因素分析,完成了支板主动冷却通道的几何参数及流量分配策略的参数优选研究。结果表明,在其他参数相同的条件下,前缘热流随着前缘半径的增大而减小,且横截面温度分布更加均匀,但同时对支板的气动性能影响也逐渐增大;另外,壁厚的增大会降低支板的冷却效果,且壁厚越小,在前缘上的热流分布越均匀;同时,通过对比3种冷却剂分配方式的数值模拟结果可知,冷却剂更多地分配给前缘等受热严重区域可以增强特征区域的冷却效果,但全部集中在支板前缘会增大通道内压力损失,因此由尖劈部分的多个通道进入的分配方案最优,既能提高前缘冷却效率,又能保证对其他部分的有效冷却。通过开展支板主动冷却通道布局优化和影响规律分析,显著降低了燃料支板对冷却流量的需求,并为燃料支板的主动冷却结构设计提供了依据。