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基于钝体扰流的氢气微混扩散燃烧组织研究

航空学报 2024年第8期45卷 89-103页

作者：莫妲林宇震马宏宇韩啸刘一雄北京航空航天大学航空发动机研究院航空发动机气动热力国家级重点实验室北京100191 先进航空发动机协同创新中心北京100191 中国航发沈阳发动机研究所沈阳110015

氢气是实现航空发动机零碳排放最具有应用潜力的燃料之一,本文提出一种蜂巢钝体微混扩散燃烧结构,内置微型钝体扰流主流空气,以增强与氢气掺混。采用k-ω剪切应力输运(SST)湍流模型和火焰面生成流行方法(FGM)中的扩散火焰方法,数值仿真... 详细信息

氢气是实现航空发动机零碳排放最具有应用潜力的燃料之一,本文提出一种蜂巢钝体微混扩散燃烧结构,内置微型钝体扰流主流空气,以增强与氢气掺混。采用k-ω剪切应力输运(SST)湍流模型和火焰面生成流行方法(FGM)中的扩散火焰方法,数值仿真模拟了基准方案在无氢气喷注、冷态、热态工况下的流动燃烧特性,详细分析了微混单元气动热力过程。建立了基于响应面预测和遗传算法的蜂巢微混单元优化设计流程,以钝体角度和钝体出口高度为约束条件,NOx排放最低为优化目标,获得了NOx排放的影响规律和最优方案。研究结果表明:钝体三维尾迹涡耦合氢气射流涡可显著增强主流扰动和掺混,氢气射流涡受工况和结构参数影响较大,钝体出口高度是影响NOx生成的敏感性参数,在2030 kPa和818 K的进气条件下,最优方案在15%含氧量条件下NOx的体积浓度低于5×10^(-6)。

关键词：氢气微混燃烧 NOx 钝体涡量

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氢气微混扩散燃烧技术发展

航空动力 2024年第2期 37-40页

作者：莫妲刘一雄林宇震韩啸中国航发沈阳发动机研究所北京航空航天大学

“双碳”目标下,氢燃料因零碳排放和燃烧热值高的特点,成为航空发动机和地面燃气轮机领域最具应用潜力的燃料,而氢气微混扩散燃烧技术则是其实现广泛应用的关键之一。

关键词：扩散燃烧燃气轮机燃烧热值航空发动机氢燃料零碳排放氢气微混

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一种氢燃料微尺度非预混燃烧室数值模拟

航空动力学报 2023年第11期38卷 2701-2710页

作者：莫妲尚守堂林宇震马宏宇刘一雄中国航发沈阳发动机研究所沈阳110015 北京航空航天大学航空发动机研究院北京100191

为降低航空发动机和地面燃机碳排放和NOx,提出一种多射流布局的氢燃料微尺度非预混燃烧室头部结构。为获得微尺度非预混燃烧组织机理,以及关键设计参数对燃烧性能的影响,采用k-ωSST(剪切应力输运)和FGM(火焰面生成流行)方法中的扩散火... 详细信息

为降低航空发动机和地面燃机碳排放和NOx,提出一种多射流布局的氢燃料微尺度非预混燃烧室头部结构。为获得微尺度非预混燃烧组织机理,以及关键设计参数对燃烧性能的影响,采用k-ωSST(剪切应力输运)和FGM(火焰面生成流行)方法中的扩散火焰方法,通过9种组分共26步反应开展数值仿真模拟,对动量通量比、当量比、空气和氢气的导流板高度进行敏感性分析,探究氢气与空气的混合特性、火焰结构、温度分布、NOx排放的影响因素。对比分析了传统航空煤油与氢气NOx排放。结果表明:减小动量通量比有利于缩短火焰长度,可降低169.6%的NOx;存在一个空气导流板高度的临界值,使得NOx最高,在15%含氧量条件下NOx的体积分数为5×10^(-6);氢气导流板高度由3 mm增加为11 mm,NOx减少75.9%。与传统煤油相比,最优结构参数组合方案可进一步降低85.7%的NOx。

关键词：氢燃料微尺度非预混 NOx 动量通量比导流板高度

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静子叶片角度对颤振影响数值仿真及试验研究

工程热物理学报 2022年第6期43卷 1519-1527页

作者：刘一雄陈育志丛佩红杨琳杨明绥莫妲中国航发沈阳发动机研究所沈阳110015

随着航空发动机推重比提高和气动负荷增加,叶片颤振问题屡见不鲜。以某跨声速风扇叶片为研究对象,基于移相能量法开展一级转子叶片颤振预测,分析了叶片在低换算转速下的颤振稳定性,绘制了理论预测的颤振边界。通过开展进口可调叶片(VIGV... 详细信息

随着航空发动机推重比提高和气动负荷增加,叶片颤振问题屡见不鲜。以某跨声速风扇叶片为研究对象,基于移相能量法开展一级转子叶片颤振预测,分析了叶片在低换算转速下的颤振稳定性,绘制了理论预测的颤振边界。通过开展进口可调叶片(VIGV)角度变化对叶片一弯气动阻尼的影响规律研究,获取了VIGV角度变化对叶片的颤振稳定性的影响。通过多动态参数统一测量,在部件试验器上进行了试验验证。结果表明:叶片在低换算转速发生典型一弯失速颤振,振动应力与脉动压力均出现瞬时突增的特征;VIGV关角度可以有效提高叶片一弯气动阻尼,VIGV关3°时,气动阻尼可以提高20%;数值预测的颤振边界与试验结果吻合较好。

关键词：风扇叶片移相能量法颤振边界颤振试验 VIGV角度

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基于钝体扰流的氢气微混扩散燃烧组织研究

航空学报 2023年

作者：莫妲林宇震马宏宇韩啸刘一雄先进航空发动机协同创新中心中国航发沈阳发动机研究所北京航空航天大学航空发动机研究院航空发动机气动热力国家级重点实验室

氢气是实现航空发动机零碳排放最具有应用潜力的燃料之一，本文提出一种蜂巢钝体微混扩散燃烧结构，内置微型钝体扰流主流空气，以增强与氢气掺混。采用k-omega剪切应力输运(Shear Stress Transfer,SST)湍流模型和火焰面生成流行方法(Fl... 详细信息

氢气是实现航空发动机零碳排放最具有应用潜力的燃料之一，本文提出一种蜂巢钝体微混扩散燃烧结构，内置微型钝体扰流主流空气，以增强与氢气掺混。采用k-omega剪切应力输运(Shear Stress Transfer,SST)湍流模型和火焰面生成流行方法(Flamelet Generated Manifold,FGM)中的扩散火焰方法，数值仿真模拟了基准方案在无氢气喷注、冷态、热态工况下的流动燃烧特性，详细分析了微混单元气动热力过程。建立了基于响应面预测和遗传算法的蜂巢微混单元优化设计流程，以钝体角度和钝体出口高度为约束条件，NOx排放最低为优化目标，获得了NOx排放的影响规律和最优方案。研究结果表明：钝体三维尾迹涡耦合氢气射流涡可显著增强主流扰动和掺混，氢气射流涡受工况和结构参数影响较大，钝体出口高度是影响NOx生成的敏感性参数，在2030 k Pa和818 K的进气条件下，最优方案在15%含氧量条件下NOx的体积浓度低于5×10-6。

关键词：氢气微混燃烧 NOx 钝体涡量

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氢气微混燃烧技术进展现状和未来展望

航空学报 2023年

作者：莫妲林宇震韩啸马宏宇刘一雄先进航空发动机协同创新中心中国航发沈阳发动机研究所北京航空航天大学航空发动机研究院航空发动机气动热力国家级重点实验室

氢燃料在航空发动机、空天推进系统和地面燃气轮机等领域的应用可以实现零碳排放，对于缓解全球气候变化和保护环境具有重要意义。但氢燃烧应用仍面临着许多技术挑战，若在传统燃烧室中燃烧氢气将面临回火和氮氧化物排放高的风险，需要... 详细信息

氢燃料在航空发动机、空天推进系统和地面燃气轮机等领域的应用可以实现零碳排放，对于缓解全球气候变化和保护环境具有重要意义。但氢燃烧应用仍面临着许多技术挑战，若在传统燃烧室中燃烧氢气将面临回火和氮氧化物排放高的风险，需要探索新的氢燃烧技术和污染物控制措施，以满足氢能迫切发展的需要。微混燃烧技术通过成百上千个微通道结合氢气微喷射，使空气和氢气快速掺混，形成微小尺度火焰，缩短氮气在高温区的驻留时间到毫秒等级，可大幅度降低氮氧化物生成。本文回顾了氢燃料在燃气涡轮发动机中的应用发展历史，梳理了氢气特点、NOx生成机理、微混燃烧原理、预混燃烧和扩散燃烧的掺混方式和头部结构特点，总结了国内外关于氢燃烧仿真和实验、以及热声不稳定问题的研究进展，讨论了微混燃烧室关键参数对气动热力过程和NOx生成的影响，归纳了NOx控制措施，为氢燃烧室工程设计提供理论和实验参考，并对氢燃烧技术未来的发展进行了展望。

关键词：氢气微混燃烧预混燃烧扩散燃烧 NOx 热声不稳定

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一种新型涡轮叶间燃烧室的数值模拟

航空动力学报 2012年第1期27卷 55-62页

作者：李明唐豪张超程本林莫妲南京航空航天大学能源与动力学院南京210016

为提高燃气涡轮发动机性能,设计了涡轮叶间燃烧室模型,利用FLUENT软件的Realizable k-ε湍流模型、概率密度函数(PDF)燃烧模型、离散坐标(DO)辐射模型和离散相模型对燃烧室的流动及燃烧进行数值模拟.结果表明:燃烧室燃烧效率高达98.4%,... 详细信息

为提高燃气涡轮发动机性能,设计了涡轮叶间燃烧室模型,利用FLUENT软件的Realizable k-ε湍流模型、概率密度函数(PDF)燃烧模型、离散坐标(DO)辐射模型和离散相模型对燃烧室的流动及燃烧进行数值模拟.结果表明:燃烧室燃烧效率高达98.4%,绝对压力损失低至4.2%,气体温度提高700K左右;出口径向温度随无量纲高度呈线性分布;速度、温度、组分分布受高温燃气与主流的掺混程度控制;径向槽(RVC)对促进掺混及改善出口温度场有着积极的影响,其结构值得深入研究.与文献实验数据对比发现:选择的数学模型合理,计算方法可行,其结果可为涡轮叶间燃烧室设计提供参考.

关键词：气液两相燃烧燃气轮机涡轮叶间燃烧涡轮级间燃烧超紧凑燃烧数值模拟径向槽

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当量比对涡轮叶间燃烧性能影响的数值模拟

燃烧科学与技术 2012年第2期18卷 161-168页

作者：李明唐豪莫妲张超南京航空航天大学能源与动力学院南京210016

为探究涡轮叶间燃烧性能,设计了4种不同当量比的工况,利用FLUENT软件的Realizable k-ε湍流模型、PDF燃烧模型、DO辐射模型和离散相模型对燃烧室的流动及燃烧进行数值模拟.结果表明:燃烧室能在广泛的当量比(2.59～0.81)下保持性能稳定,... 详细信息

为探究涡轮叶间燃烧性能,设计了4种不同当量比的工况,利用FLUENT软件的Realizable k-ε湍流模型、PDF燃烧模型、DO辐射模型和离散相模型对燃烧室的流动及燃烧进行数值模拟.结果表明:燃烧室能在广泛的当量比(2.59～0.81)下保持性能稳定,燃烧效率保持在96%以上、总压损失低于2.4%,气体温度提高650,K左右;降低当量比,能够提高燃烧效率,降低CO、UHC、NOx等污染物排放,改善温度分布,但会造成更大的总压损失;最优当量比等于1.00,此时燃烧效率在99.95%以上,总压损失相对低(1.5%),出口径向温度呈抛物线型分布,最适合燃烧室设计.与文献对比发现,选取的工况合理,其结果对涡轮叶间燃烧室设计具有参考价值.

关键词：燃气轮机气液两相燃烧超紧凑燃烧涡轮叶间燃烧当量比数值模拟

基于涡轮导向器增燃技术的总体性能与燃烧组织

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航空动力学报 2014年第5期29卷 1053-1061页

作者：郑海飞唐豪李明莫妲南京航空航天大学能源与动力学院南京210016 中国航空工业集团公司空天发动机研究院有限公司北京100009 中国航空工业集团公司沈阳发动机设计研究所沈阳110015

为了使航空发动机达到高推质比、低燃油消耗率、低污染以及拓宽稳定工作范围的目标,应使用涡轮导向器增燃技术在涡轮导向器叶片间喷油点火再次燃烧,提高涡轮内燃气温度,从而提高发动机的总体性能.阐述了涡轮导向器增燃技术具有提高航空... 详细信息

为了使航空发动机达到高推质比、低燃油消耗率、低污染以及拓宽稳定工作范围的目标,应使用涡轮导向器增燃技术在涡轮导向器叶片间喷油点火再次燃烧,提高涡轮内燃气温度,从而提高发动机的总体性能.阐述了涡轮导向器增燃技术具有提高航空发动机总体性能的潜在优势,分析研究了该技术中组织燃烧的关键技术、参数和机理问题,得出如下结论:①对于射流旋流方案,径向凹槽对燃烧室出口温度分布起决定性作用;降低燃烧凹环内当量比,可提高燃烧效率,从而降低CO,UHC(未燃碳氢化合物),NOx等污染物排放量.②当二次气流角为60°时,射流涡流方案各项燃烧性能较好.

关键词：涡轮导向器增燃航空发动机总体性能射流旋流射流涡流