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基于CRN的加力燃烧室燃烧性能及点熄火极限预测模型研究

基于CRN的加力燃烧室燃烧性能及点熄火极限预测模型研究

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作者：邓子江南京航空航天大学

学位级别：硕士

现代航空发动机加力燃烧室在追求高性能的同时也面临着进气速度快、来流氧气含量低等问题,这对点火与火焰稳定是一大挑战。因此,对加力燃烧室的燃烧性能及点熄火性能进行研究具有重要意义。常用的研究燃烧室燃烧性能方法为试验研究和数... 详细信息

现代航空发动机加力燃烧室在追求高性能的同时也面临着进气速度快、来流氧气含量低等问题,这对点火与火焰稳定是一大挑战。因此,对加力燃烧室的燃烧性能及点熄火性能进行研究具有重要意义。常用的研究燃烧室燃烧性能方法为试验研究和数值模拟,但是前者研究成本高且试验周期长,后者对计算机配置要求较高且计算时间长。化学反应器网络(CRN)方法是一种长期以来用于评估燃烧室燃烧性能的方法,通过将燃烧室的流动反应体系进行简化而大大提高了计算效率。因此本文将应用CRN方法对加力燃烧室的燃烧性能及点熄火性能进行预测。本文选择三种具有代表性的模型加力燃烧室进行研究,具体研究内容如下:1)选择结构较为典型的蒸发槽加力燃烧室、驻涡燃烧室和凹腔支板燃烧室作为研究对象,通过数值模拟的方法对燃烧室的冷态流场及热态流场进行分析。根据流场结构、温度场及组分场等特征参数分布特点,建立各自的化学反应器网络拓扑结构,并在此基础上归纳得到一套针对加力燃烧室的化学反应器网络拓扑结构划分方法。根据Da数选择合适的理想反应器模型模拟各个区域,建立通用的CRN模型。2)在实验数据的基础上,分析了试验研究过程与CRN预测过程之间的异同,给出了分流系数和反应器体积修正系数的概念。前者通过数值模拟结果统计得到,后者用于修正采用体积对燃烧室进行定量划分带来的计算误差。在此基础上,建立了参数化的燃烧性能CRN预测模型。对蒸发槽加力燃烧室和驻涡燃烧室的燃烧性能进行了预测,预测结果均较好。3)通过分析点火的基本过程,根据点火过程中点火能量、电极距离等对火团的影响,建立了点火器模型。考虑到点火与熄火过程中燃烧室初始温度、供油参数对燃油蒸发雾化的影响,给出了燃油蒸发雾化效率修正系数。该参数物理上试图影响PSR中的燃油蒸发的质量,即只有部分燃油作为化学反应中的燃料,而不是所有喷入的燃料作为反应物。这样导致在下限时,雾化差,油气更贫,从而影响化学反应。然而在熄火过程中,燃烧室从高温状态逐渐向低温状态过渡,燃油的蒸发效率高于点火时的蒸发效率,因此需要重新进行修正。在此基础上,对模型加力燃烧室的点火极限及熄火极限进行预测,预测误差均在允许范围内,说明所建立的预测模型具有一定的可靠性。综上所述,本文选取了三种结构较为典型的模型加力燃烧室作为研究对象,通过数值模拟和CRN模型相结合的方法,建立了参数化CRN模型和点熄火性能预测模型,分别对燃烧室的燃烧室性能及点熄火极限进行预测。预测结果与实验结果吻合较好,说明本文建立的模型能够对加力燃烧室的设计提供参考。

关键词：加力燃烧室化学反应器网络点熄火极限预测燃烧性能预测

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