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航空模型燃料掺混氢气的微尺度燃烧数值模拟

航空动力学报 2023年

作者：陈星赫苏晟王娟北京航空航天大学能源与动力工程学院航空发动机气动热力国家级重点实验室

对二维三级后台阶微尺度燃烧器中以三种碳氢化合物(69% C10H22、11% C9H18、20% C9H12)混合的Jet A-1模型燃料与氢气的掺混在纯氧中的燃烧进行了数值模拟，分析了燃料掺氢比、进气流速对微燃烧器内燃烧特性的影响。结果表明，所有火焰... 详细信息

对二维三级后台阶微尺度燃烧器中以三种碳氢化合物(69% C10H22、11% C9H18、20% C9H12)混合的Jet A-1模型燃料与氢气的掺混在纯氧中的燃烧进行了数值模拟，分析了燃料掺氢比、进气流速对微燃烧器内燃烧特性的影响。结果表明，所有火焰均可以稳定在微燃烧器第一后台阶(距离燃烧器入口3 mm处)之前。随着掺氢比增加，火焰位置逐渐前移，火焰长度缩短，且燃烧器内部的高温区面积减少，最高温度降低，上游燃烧强度更高但下游更低，CO和CH4质量分数减小，裂解反应的发生位置前移且裂解产物的质量分数降低。随着入口进气流速增加，燃烧反应的高温区扩大，火焰中心位置和火焰前沿向燃烧器出口移动和拉伸，掺氢比对壁面温度的影响减小，燃烧器中心线OH质量分数整体增加，CO2质量分数减小，CH4质量分数增加，且裂解反应的发生位置后移且产物质量分数增加。结果表明，低速下可以掺混少量氢气得到更高的壁温从而获取更多能量。低速可能影响燃烧区燃料燃烧时的化学反应，从而造成上游的OH生成量减小。掺氢比的增加以及流速的降低会使CO质量分数波动更加明显。CO2的质量分数最高时的掺氢比为25%。在高掺氢比和低速下，乙炔大部分是靠燃料直接裂解生成，只有少量是通过丙烯的二次裂解生成。

关键词：微尺度燃烧掺混燃烧燃烧特性火焰位置裂解

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微尺度燃烧中数值模拟模型选择研究

中国电机工程学报 2006年第Z1期26卷 81-87页

作者：张永生周俊虎杨卫娟刘茂省岑可法中国科学院工程热物理研究所北京市海淀区100080 能源清洁利用国家重点实验室(浙江大学)浙江省杭州市310027 能源清洁利用国家重点实验室(浙江大学)浙江省杭州市310027 能源清洁利用国家重点实验室(浙江大学)浙江省杭州市310027 能源清洁利用国家重点实验室(浙江大学)浙江省杭州市310027

该文对微尺度燃烧数值模拟所选用的模型进行了研究.通过理论上对流动和燃烧的分析,认为用传统上的临界雷诺数来区分层流燃烧和紊流燃烧在微尺度燃烧中可能不能反应实际情况,小雷诺数下也存在紊流的可能;在所研究的微尺度管道中,实验表... 详细信息

该文对微尺度燃烧数值模拟所选用的模型进行了研究.通过理论上对流动和燃烧的分析,认为用传统上的临界雷诺数来区分层流燃烧和紊流燃烧在微尺度燃烧中可能不能反应实际情况,小雷诺数下也存在紊流的可能;在所研究的微尺度管道中,实验表明具有紊流特征,数值模拟和实验的对比表明,三维紊流燃烧模型比层流模型的温度分布更接近实际温度分布,能够相对较好地反应实际情况.同时在目前的数值模拟模型中,由于没有考虑熄火距离的影响,导致在微尺度燃烧模拟中会出现温度偏高的现象.

关键词：微尺度燃烧数值模拟层流紊流熄火距离

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微尺度燃烧过程中传热准则数分析

农业机械学报 2011年第12期42卷 197-201,219页

作者：潘剑锋周俊唐爱坤邵霞薛宏江苏大学能源与动力工程学院镇江212013 美国加州州立工业大学机械工程系

在微尺度条件下,由于对流传热和燃烧过程耦合发生在很小的范围内,因此微燃烧室内部的对流换热问题比较复杂。根据微燃烧室内部流动、传热和燃烧过程模拟计算的结果,采用无量纲分析方法,计算出表征距入口x处各通道截面平均对流换热强度... 详细信息

在微尺度条件下,由于对流传热和燃烧过程耦合发生在很小的范围内,因此微燃烧室内部的对流换热问题比较复杂。根据微燃烧室内部流动、传热和燃烧过程模拟计算的结果,采用无量纲分析方法,计算出表征距入口x处各通道截面平均对流换热强度的努塞尔数Nux,并分析入口参数对Nux的影响。对多组计算结果进行多元回归拟合,最终得到各截面平均Nux与雷诺数Rex、普朗特数Prx和无量纲变量θ之间的函数表达式。

关键词：微尺度燃烧传热准则数无量纲参数多元回归拟合

AP/HTPB复合推进剂微尺度燃烧模型及数值分析

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推进技术 2013年第11期34卷 1567-1574页

作者：曹永杰余永刚叶锐南京理工大学能源与动力工程学院江苏南京210094

为了研究AP/HTPB复合推进剂微尺度燃烧与流动特性,建立了二维三明治结构的稳态燃烧模型。该模型考虑了气相火焰热反馈与固相组分热传导之间的耦合,通过对气相求解完整的N-S方程组,获得了AP/HTPB的燃速与微尺度燃烧场各物理量的分布特性... 详细信息

为了研究AP/HTPB复合推进剂微尺度燃烧与流动特性,建立了二维三明治结构的稳态燃烧模型。该模型考虑了气相火焰热反馈与固相组分热传导之间的耦合,通过对气相求解完整的N-S方程组,获得了AP/HTPB的燃速与微尺度燃烧场各物理量的分布特性。结果表明,随着环境压力升高,燃烧火焰由预混结构逐渐发展为扩散结构;压力越高,火焰热释放及其对燃面的热反馈越强,燃面的温度与燃速越高,燃速的计算结果与实验结果吻合较好;AP/HTPB交界点附近气体组分发生强烈的扩散反应,侧向速度对燃烧与流动有显著影响。

关键词：复合推进剂微尺度燃烧火焰结构燃速

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微尺度燃烧的可视化测量研究及数值分析

微尺度燃烧的可视化测量研究及数值分析

作者：李雪冬北京交通大学

学位级别：硕士

近年来,微动力装置因其在诸多领域广泛的应用前景得到了迅猛的发展,而微型燃烧室作为微动力装置中最重要和最复杂的部分也引起了人们越来越多的重视,但是传统的测量手段在微尺度下受到极大的限制以至于近年来一直不能准确有效地对微尺... 详细信息

近年来,微动力装置因其在诸多领域广泛的应用前景得到了迅猛的发展,而微型燃烧室作为微动力装置中最重要和最复杂的部分也引起了人们越来越多的重视,但是传统的测量手段在微尺度下受到极大的限制以至于近年来一直不能准确有效地对微尺度燃烧过程进行测量,这严重阻碍了对微燃烧室内复杂燃烧现象的深入探索。电容层析成像(ECT)技术能够提供在线连续的可视化测量,其非侵入、多点、响应速度快等优点对于解决微尺度燃烧研究中的众多难题有其独到的优势。本文运用ECT方法对微型燃烧室内火焰分布进行可视化测量,将火焰的检测扩展到多维空间,提供了一种新的微燃烧测量手段。主要完成了以下几方面工作：(1)概括总结了ECT图像重建算法的种类并对常用算法的特点和局限性进行了比较分析。探索了火焰的电学本质,分析火焰等离子体特性和在ECT外部交流激励下的介电特性,推导了火焰介电常数以及ECT系统被测电容值与火焰温度之间的关系,得出火焰温度越高,火焰介电常数越大以及被测电容值越大的结论。(2)采用光谱法对微管内的火焰信号进行了在线检测,通过对火焰信号的时频分析获得了火焰稳定燃烧的判据,最后通过对火焰强度比方差和火焰闪烁频率的分析得到了当量比在1到2之间变化时,火焰稳定性较好的结论,为合理的组织微燃烧提供了实验依据。(3)为满足高温环境条件,设计并制作了一款微小耐高温型ECT传感器,并对其对火焰的响应特性进行了测试。利用标定实验验证了火焰介电常数与火焰温度的关系。搭建了微燃烧可视化测量实验的实验台,实现了对微火焰的可视化测量,通过对ECT测量图像的分析,研究了微燃烧的不稳定性,其中不稳定燃烧阶段火焰图像波动明显,火焰区域面积不大且容易发生熄灭现象。(4)基于FLUENT计算平台,对微尺度燃烧室不同燃烧条件下的温度场、速度场及各组分浓度场进行了数值模拟,模拟结果显示,在壁面绝热情况下,燃烧室结构的变化、入口速度的大小均会对微燃烧的燃烧效率及稳定性造成影响;在壁面散热的情况下,散热对燃烧稳定性和燃烧效率有比较大的影响,选择富燃料燃烧气氛有助于燃烧的稳定。(5)将数值模拟结果与ECT在线监测结果进行了对比,结果显示,火焰分布图像具有一定的吻合性,印证了两种研究方法的可靠性,并说明ECT方法可有效地对微小尺度下的燃烧过程及火焰分布进行可视化测量。

关键词：微尺度燃烧电容层析成像火焰介电常数 ECT传感器可视化测量

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微尺度燃烧器性能优化及热-声震荡分析

微尺度燃烧器性能优化及热-声震荡分析

作者：赵鹤江苏科技大学

学位级别：硕士

微尺度能源装置在国防、医院、军事、民生等方向越来越重要。微尺度光电装置作为微尺度能源装置的一种,具有高寿命、高能量密度、安静等特点,从而吸引了众多科研人员的目光。微尺度燃烧器作为微尺度光电系统的关键部件,其热量利用率的... 详细信息

微尺度能源装置在国防、医院、军事、民生等方向越来越重要。微尺度光电装置作为微尺度能源装置的一种,具有高寿命、高能量密度、安静等特点,从而吸引了众多科研人员的目光。微尺度燃烧器作为微尺度光电系统的关键部件,其热量利用率的能力决定了微尺度光电装置的效率。微尺度燃烧器壁面受热释放光子,微尺度燃烧器壁面温度高低决定了微尺度燃烧器的发光性能,壁面温度的均匀的决定了有效光子的发射。因此如何提高燃烧器的壁面温度成为本文研究的重点。热-声震荡是燃烧过程中比较常见的现象,噪声的出现会增加燃烧中的扰动性,进一步可能会造成燃烧过程中出现熄火现象。因此噪声对于燃烧的过程中的热反应率、流体压强、流体流速都会造成影响。不稳定的热反应率又会加剧噪声的出现。据作者所知,还没有文献设及到微尺度燃烧器中的热-声之间互相震荡关系研究。在前人的文献中提及,微尺度燃烧器中添加肋可以有效的提高微尺度燃烧器的壁面温度,从而提高微尺度光电系统的发电效率。即使如此这种燃烧器的热损失依然比较大,且出口流体依然具有较高温度,这种燃烧器在文中命名为model(a)。文中设计两种微尺度燃烧器,第一种燃烧器在出口处添加一根肋,用以强化传热效果,这种燃烧器命名为model(b),第二种燃烧器在modle(b)燃烧器的基础上在再添加一根肋,这种燃烧器命名为model(c)。文中使用氢气-氧气作为混合燃料进行数值计算,计算结果表明在出口添加肋的方法,虽然能提升出口处附近壁面温度,但是整个壁面温度并没有得到有效的提升。model(c)可以有效的提高整体壁面温度且壁面温度更加均衡。从温度云度上看,model(c)的热损失最小。在速度云图上看,model(c)的流动损失最大。文中以model(a)为基础探究进口震荡对于微尺度燃烧的影响。文中使用火焰传递函数法确定在1000 Hz频率附近为model(a)的共振频率。文中分别以300 Hz和1000 Hz为进口扰动频率探究其微尺度燃烧的影响。数值结果表明,在1000 Hz扰动频率下,微尺度燃烧具有更高的噪声情况,且流体流动更加紊乱。但时在1000 Hz扰动频率下,微尺度燃烧器具有更高的燃烧稳定性和更高的燃烧效率。

关键词：微尺度燃烧热-声震荡数值模拟壁面温度

微尺度燃烧条件下常用碳氢燃料反应机理的简化

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微尺度燃烧条件下常用碳氢燃料反应机理的简化

作者：陈林林江苏大学

学位级别：硕士

伴随着微机电系统的蓬勃发展,对高功率、长寿命电力供给单元的需求日益迫切。基于微尺度燃烧的动力系统以其能量密度高、成本低、污染小等优点得到了广泛关注,其核心是微尺度下碳氢燃料的燃烧过程。为了能尽可能准确而快速地模拟微尺度... 详细信息

伴随着微机电系统的蓬勃发展,对高功率、长寿命电力供给单元的需求日益迫切。基于微尺度燃烧的动力系统以其能量密度高、成本低、污染小等优点得到了广泛关注,其核心是微尺度下碳氢燃料的燃烧过程。为了能尽可能准确而快速地模拟微尺度燃烧过程,亟需能体现微尺度燃烧特性的简化反应机理。但目前的简化机理大多是针对常规尺寸的燃烧而简化的,在反应尺度和滞留时间上与微尺度燃烧有很大区别。基于这一背景,本文面向微尺度燃烧的特点对常用碳氢燃料的详细反应机理进行简化。论文先对反应机理简化的意义和简化方法进行了阐述,并重点介绍了基于误差传播的直接关系图法和敏感性分析法,后基于微尺度燃烧条件利用这两种方法对常用碳氢燃料预混合燃烧的反应机理进行了简化。首先,对氢气/氧气燃烧的详细反应机理进行了简化。由于采用的方法不同,分别得到12步简化机理和17步简化机理,并将它们和详细反应机理分别用于PSR模型进行计算和对比分析,结果表明,综合使用基于误差传播的直接关系图法和敏感性分析法得到的简化机理(17步)的计算结果更接近详细机理。其次,对甲烷与氧气反应的详细机理进行了简化。简化时,选择GRI-Mech3.0作为详细机理,分别采用基于误差传播的直接关系图法和敏感性分析法进行简化。前者获得了10组分19步的简化机理。应用PSR模型对简化机理的适用范围进行验证,结果表明,简化机理能在当量比0.5～1.6范围内预测温度和关键组分。后者简化得到19组分38步机理。通过对比简化机理和详细机理的PSR模型和层流预混火焰模型的计算结果,得出的最大误差不超过10%。应用PSR模型对38步简化机理的适用范围进行验证,结果表明,简化机理适用于体积为0.1cm3～0.8cm3的燃烧器,且在当量比0.5～1.5范围内,简化机理与详细机理吻合度均较高。再次,采用敏感性分析法对甲烷与空气反应的详细机理进行了简化。并且与甲烷和氧气反应的简化机理类似,对甲烷和空气反应的简化机理的适用范围进行了验证。本文也采用实验和模拟相结合的方法对简化机理进行了验证。利用Fluent软件对简化机理进行计算,所得的结果和实验数据较为一致,最大误差不超过4%,进一步证明了简化机理的准确性。文章最后对简化机理在催化燃烧中的适用性进行了研究。利用PSR模型,分别使用17步氢氧气相简化机理和38步甲烷/氧气气相简化机理与各自的表面机理进行耦合计算,并和详细机理耦合计算的结果进行比较,结果表明,使用简化机理时的温度和关键组分的值都和使用详细机理时接近,最大误差不超过6%。

关键词：微尺度燃烧机理简化敏感性分析直接关系图法数值模拟

AP/HTPB推进剂微尺度燃烧特性的数值模拟

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AP/HTPB推进剂微尺度燃烧特性的数值模拟

作者：陈王琦南京理工大学

学位级别：硕士

本文以固体火箭发动机推进剂燃烧为工程背景,数值分析了不同压力和不同组分条件下,AP/HTPB复合固体推进剂的微尺度稳态燃烧以及初始最大压降速率为480MPa/s条件下的微尺度瞬态燃烧特性,获得了燃烧过程中气相火焰温度、组分、热释放速率... 详细信息

本文以固体火箭发动机推进剂燃烧为工程背景,数值分析了不同压力和不同组分条件下,AP/HTPB复合固体推进剂的微尺度稳态燃烧以及初始最大压降速率为480MPa/s条件下的微尺度瞬态燃烧特性,获得了燃烧过程中气相火焰温度、组分、热释放速率和燃速等特性参数的变化规律,主要工作及研究内容如下:(1)不同压力条件下AP/HTPB固体推进剂稳态燃烧特性的数值模拟为研究不同环境压力对于AP/HTPB复合固体推进剂稳态燃烧特性的影响,运用ICEM软件构建模型,并进行网格划分,结合fluent软件数值模拟0.3MPa到7.2MPa压力下,AP颗粒直径为110微米,体积分数为76%的AP/HTPB复合固体推进剂稳态燃烧特性。计算结果表明:整个稳态燃烧过程呈现三种火焰形状,0.3MPa至0.4MPa时,以预混火焰为主;0.4MPa至2.4MPa范围内,包含预混火焰和扩散火焰两种火焰结构;压力大于2.4MPa时,扩散火焰占主导地位。压力在0.3MPa.2MPa范围内,气相对固相的热反馈、燃面温度、燃面燃速和燃气流速沿x轴(y=0时)均呈现出先增加后减小的趋势,并且随着压力的增加,最大燃面温度、最大燃面燃速和最大燃气流速也随之增加。(2)不同混合比例下AP/HTPB固体推进剂稳态燃烧特性的数值模拟在压力P=2.4MPa不变的条件下,通过fluent软件进一步研究氧化剂含量在0.76到0.95范围内,AP/HTPB复合固体推进剂的稳态燃烧特性,获得了氧化剂含量对于AP/HTPB燃烧过程的影响规律。计算结果表明:AP氧化剂含量增加,微尺度单元模型中AP氧化剂加宽,AP/HTPB交界面正上方原本分离的火焰带逐渐扩散融合成一个整体,容积热释放速率减小,气相对固相的热反馈也不断减弱,燃面温度和气相温度不断衰减,燃气流速和燃面燃速也随之降低。(3)在初始最大压降速率为480MPa/s的条件下,AP/HTPB固体推进剂非稳态燃烧特性的数值模拟在AP/HTPB复合固体推进剂稳态燃烧特性研究基础上,建立了AP/HTPB推进剂二维非稳态燃烧模型,采用fluent软件进一步研究了初始最大降压速率为480MPa/s条件下,AP/HTPB非稳态燃烧特性,获得了气相温度、组分、热释放速率和燃速等相关参数的变化规律。计算结果表明:在压力下降过程中,气相区域火焰温度分布不均匀性逐渐降低,其数值先增加而后减小,各组分间相互扩散,影响燃烧过程的主导因素从热解气体的扩散输运变化为热解气体之间的化学反应。热释放核心带面积增加,但热释放速率却在不断减小。燃面平均温度和燃面平均燃速呈现出三种不同速率的减小趋势,并最终趋于稳定。

关键词：高氯酸铵/端羟基聚丁二烯(AP/HTPB) 微尺度燃烧火焰形状燃速瞬态燃烧数值模拟

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微型能源动力装置及微尺度燃烧研究

新能源进展 2019年第1期7卷 60-74页

作者：李星杨浩林蒋利桥赵黛青汪小憨中国科学院广州能源研究所广州510640 中国科学院可再生能源重点实验室广州510640 广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室广州510640

基于燃料燃烧的微型能源动力装置具有高能量密度特性,可提供瓦到百瓦级的能量输出,因此在过去的20年间受到广泛关注。国内外学者研制了微型的燃气轮机、内燃机、推进装置、燃烧器、热电转换装置及热光电转换系统等不同类型的能源动力装... 详细信息

基于燃料燃烧的微型能源动力装置具有高能量密度特性,可提供瓦到百瓦级的能量输出,因此在过去的20年间受到广泛关注。国内外学者研制了微型的燃气轮机、内燃机、推进装置、燃烧器、热电转换装置及热光电转换系统等不同类型的能源动力装置。然而,由于微尺度条件下燃烧环境和常规尺度存在差异,材料、密封及润滑等方面的技术瓶颈,目前大部分微型能源动力装置的性能未能到达预期的目标。由于微尺度燃烧基础理论有别于传统的常规尺度燃烧理论,随着其重要性的凸显,国内外学者对其进行了广泛深入的研究,更加清晰地揭示了微尺度火焰及燃烧的基本特性。本文首先介绍了国内外微型能源动力装置及系统的研究进展,然后对微尺度条件下预混及非预混火焰的研究现状进行了总结,在本文的最后部分提出了微燃烧相关亟待解决的科学及工程问题。

关键词：微型能源动力系统微尺度燃烧基础研究预混火焰非预混火焰