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喷嘴射流速度对富氢燃料平行射流燃烧器燃烧特性影响的实验和数值研究

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推进技术 2023年第11期44卷 120-129页

作者：刘志刚熊燕张哲巅中国科学院工程热物理研究所先进能源动力重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049

针对燃气轮机燃烧,天然气掺氢是减少碳排放的可行策略。柔和燃烧(Moderate or Intense Low Oxygen Dilution)具备解决高绝热火焰温度下NOx排放过高的潜力。本文通过实验和数值模拟相结合的方式,研究了喷嘴射流速度对富氢燃料平行射流燃... 详细信息

针对燃气轮机燃烧,天然气掺氢是减少碳排放的可行策略。柔和燃烧(Moderate or Intense Low Oxygen Dilution)具备解决高绝热火焰温度下NOx排放过高的潜力。本文通过实验和数值模拟相结合的方式,研究了喷嘴射流速度对富氢燃料平行射流燃烧器燃烧特性的影响。实验燃料由Vol.50%甲烷和Vol.50%氢气构成。喷嘴的射流速度为90~150m/s。基于实验工况,利用化学反应网络模型计算了富氢燃料在不同绝热火焰温度下实现柔和燃烧的临界回流比。当量比小于0.6时,临界回流比随着氢气含量的增加而降低。实验结果表明,喷嘴射流速度的增加,NOx排放略有下降,CO排放和反应区抬升高度增加。喷嘴喷射速度由90m/s增加到150m/s,数值模拟结果显示,平行喷射燃烧器内的烟气回流比例保持不变。da数(damkohler number)的分布可作为判定柔和燃烧的因素,其直观显示喷嘴射流速度对柔和燃烧的影响。喷嘴射流速度增加,流场内da>1的区域呈现降低趋势,这意味着慢速反应区域增加。对于富氢燃料,提高喷嘴射流速度有利于建立柔和燃烧,达到低NOx排放。

关键词：柔和燃烧富氢燃料 NOx排放抬升高度 da数

基于特征时间尺度的宽域发动机冲压燃烧室熄火特性研究

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基于特征时间尺度的宽域发动机冲压燃烧室熄火特性研究

作者：王梓成内蒙古工业大学

学位级别：硕士

超燃冲压发动机是冲压发动机的一种类型。相较于普通的航空发动机,超燃冲压发动机舍弃了压气机和叶片等旋转组件,结构十分简单、便于维护且自重低,且能适应超高速宽速域飞行,是未来一段时间内可用于我国高速飞行器的理想发动机类型。对... 详细信息

超燃冲压发动机是冲压发动机的一种类型。相较于普通的航空发动机,超燃冲压发动机舍弃了压气机和叶片等旋转组件,结构十分简单、便于维护且自重低,且能适应超高速宽速域飞行,是未来一段时间内可用于我国高速飞行器的理想发动机类型。对于运输人力的飞行器,高速度、远航程也是减少旅途耗费时间,以便实现更快到达目标位置部署战力或进行观测的要求;而对于能造成实质性打击的武器,如导弹,足够高的速度是实现突防与打击时间敏感性目标的关键,超燃冲压发动机恰好能够符合以上需求,应用前景广阔。不过,超燃冲压发动机需要满足以下要求才能真正应用于实际:工作范围广,能在各类环境和飞行速度下为飞行器提供动力;高空巡航工作能力,使飞行器能长时间稳定维持高速飞行;可靠性高,能够在恶劣工作条件下保持稳定运行。对此,本文提出了超音来流下燃料喷雾轨迹预测模型,并对超燃冲压发动机贫油熄火特性变化规律及预测方法进行了研究,从高效运行和恶劣条件应对能力两方面为超燃冲压发动机的设计及优化提供参考。具体的研究内容如下:(1)搭建喷雾与熄火试验平台,完成了宽域来流马赫数下的喷雾试验,通过拍摄纹影图片、录制喷雾过程来研究横向射流破碎、雾化的全过程;对比不同喷注及来流条件下喷雾穿透深度,总结变化规律。通过在图像中捕捉喷雾边缘坐标并进行半经验拟合,建立了宽速域超音来流下的横向喷雾轨迹预测模型。(2)以喷雾试验捕获的图像为基础,对喷雾全域进行了快速傅里叶变换以及本征正交分解分析,通过时域与能量等级分布,得到了喷雾表面所受扰动的类型及其对扰动整体的主导作用,最后总结得到喷雾动态特性的规律。(3)开展了宽域来流马赫数(2、2.5、3)下不同来流总温、总压与燃料流量工况的熄火试验,测量得到了贫油熄火与近贫油熄火状态的来流总温、总压与燃料当量比数据,总结了贫熄极限随来流参数的变化规律,为燃烧室热态数值模拟及贫油熄火极限预测方法的推导奠定基础。(4)基于获得的贫熄及近贫熄工况参数开展了燃烧室热态数值模拟,由静温与中间反应产物分布确定了燃烧反应的核心区域以及该区域的流动时间尺度。同时,使用均匀搅拌反应器模型(PSR)将反应器内部的化学反应与流动规律脱耦合,根据反应区参数计算化学反应时间尺度,最终得到基于da数的贫熄极限预测方法。

关键词：超音速来流射流轨迹预测喷雾动态特性贫熄预测流动时间尺度化学反应时间尺度 da数

柴油机燃烧室结构对混合气形成及燃烧特性的影响

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吉林大学学报（工学版） 2014年第6期44卷 1647-1654页

作者：林学东顾静静李德刚侯玉晶崔磊吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室长春130022 上海汽车集团股份有限公司技术中心上海201804

针对已开发的2.0L型高压共轨直喷柴油机燃烧室,利用FIRE软件建立其仿真计算模型,仿真分析了不同燃烧室结构对缸内速度场以及湍流特性的影响,并引入与混合气形成和燃烧过程密切相关的无量纲参数da数,研究了燃烧室结构形状对混合气形成机... 详细信息

针对已开发的2.0L型高压共轨直喷柴油机燃烧室,利用FIRE软件建立其仿真计算模型,仿真分析了不同燃烧室结构对缸内速度场以及湍流特性的影响,并引入与混合气形成和燃烧过程密切相关的无量纲参数da数,研究了燃烧室结构形状对混合气形成机理、燃烧过程以及NO和SOOT生成率的影响。结果表明:通过合理设计燃烧室的结构形状可以有效组织混合气的形成和燃烧过程,从而抑制NO和SOOT的生成。

关键词：动力机械工程燃烧室形状当量比 da数 NO生成率 SOOT生成率

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AP/HTPB推进剂扩散火焰结构分析

固体火箭技术 2013年第6期36卷 766-770页

作者：叶锐余永刚曹永杰南京理工大学能源与动力工程学院南京210094

为研究AP/HTPB复合固体推进剂燃烧扩散火焰结构,建立了二维周期性三明治简化模型。结果表明,贝克莱数Pe和达姆科勒数da对扩散火焰有较大影响。当给定有限Pe数时,对流输运速率与扩散速率在同一个量级,化学计量表面(SLS)与燃烧表面的交点... 详细信息

为研究AP/HTPB复合固体推进剂燃烧扩散火焰结构,建立了二维周期性三明治简化模型。结果表明,贝克莱数Pe和达姆科勒数da对扩散火焰有较大影响。当给定有限Pe数时,对流输运速率与扩散速率在同一个量级,化学计量表面(SLS)与燃烧表面的交点并不在氧化剂与粘合剂的交界面处,而是偏向氧化剂侧;当考虑有限速率化学反应时,燃烧火焰仅占据SLS一部分,表明存在着部分预混的前沿火焰结构;当da数较小时,化学反应速率较慢,氧化剂气体与粘合剂产物能较充分混合,在燃烧表面上方形成合并的前沿火焰结构,并产生较均匀的热释放分布;当da数增大时,化学反应速率增强而扩散混合速率基本不变,火焰结构靠近燃烧表面,合并的前沿火焰结构逐渐分离,并形成狭长的扩散火焰带。

关键词：复合固体推进剂 Pe数 da数

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高压共轨柴油机混合气形成及燃烧特性的研究

高压共轨柴油机混合气形成及燃烧特性的研究

作者：崔磊吉林大学

学位级别：硕士

随着汽车保有量的增加，机动车已经成公害，成为污染空气的的主要来源。高压共轨系统使柴油机的动力性、经济性和排放性得到大幅度的提升，进入高效清洁柴油机的时代。但柴油机自身NOx和碳烟之间的矛盾关系一直是一个难以解决的问题，... 详细信息

随着汽车保有量的增加，机动车已经成公害，成为污染空气的的主要来源。高压共轨系统使柴油机的动力性、经济性和排放性得到大幅度的提升，进入高效清洁柴油机的时代。但柴油机自身NOx和碳烟之间的矛盾关系一直是一个难以解决的问题，尽管针对柴油机的各种排放控制技术可以满足目前的法规，但随着法规要求的越来越苛刻，迫使人们采用更先进的技术来控制燃烧过程和排放物的生成。缸内直喷柴油机的性能是由燃烧过程决定的，燃烧过程的好坏取决于其混合气的形成过程。对于本文2.0L这样的小型高速柴油机，整个混合气形成和燃烧过程都发生在上止点附近这个狭小的空间内，而且整个过程时间很短，因此研究缸内的气流特性对混合气形成的影响至关重要。进气系统、高压共轨燃油喷射系统以及燃烧室形状这三者共同作用决定缸内的气流状况。进气过程会产生进气涡流，压缩过程由于ω型燃烧室形状又会产生挤流，高压喷射的高速射流使整个缸内的气流运动更加紊乱不规则。在进气道形状确定的情况下，研究喷射参数尤其是喷射压力和燃烧室形状对缸内气流的影响有重要意义。柴油机的燃烧过程主要是预混合燃烧和扩散燃烧，预混合燃烧受喷油压力、喷油正时和缸内的气流运动的影响，而扩散燃烧主要是由缸内的气流强度及其保持性有很大的关系。本文通过仿真软件FIRE研究燃烧室形状和喷射压力对混合气形成和燃烧过程的影响。通过建立喷雾周围缸内采样点，提取并分析这些空间位置的速度、当量比和反应速率，提出了两个无量纲的参数作为评价标准，即da数（damkohler数）和Jet数，分别从不同的角度来评价混合气形成和燃烧过程。da数反映了燃烧过程中化学反应特征时间和混合气形成时间之间的关系，借此来研究预混合燃烧和扩散燃烧。Jet数反映了气液两相对流运动的摩擦作用对液滴的粉碎作用，从雾化的角度研究混合气的形成。通过研究得出以下结论：径深比的大小，影响缸内气流运动的分布，径深比大燃烧室凸台上方气流弱，径深比小，燃烧室底部凹坑内气流弱，而且缸内气流强度整体偏小而且保持性差不利于燃油的扩散，易形成过浓区域生成碳烟。径深比大促进燃油扩散，放热提前峰值高，放热持续期短，提高燃烧效率。高速柴油机适当增加径深比有利于混合气的形成和优化燃烧过程凸台斜坡形状对凹坑内气流有导向作用，并对喷雾的形状产生影响，凸型斜坡使气流沿斜面向上运动，阻碍喷雾的发展。凹形斜坡在喷雾下侧形成涡团促进喷雾向凹坑内扩散，同时使喷雾尾部向缩口处延伸。通过对da数的分析，凹形促进燃油扩散，缩短滞燃期抑制了预混合燃烧促进了扩散燃烧过程。凸型由于在滞燃期形成大量混合气，预混合燃烧过程剧烈。研究不同负荷不同转速，发动机性能随着压缩比变化的规律结果表明，小负荷时适当增加压缩比，可降低燃油消耗率。压缩比小时燃油消耗率随转速的增加而增加，压缩比高时，随转速变化燃油消耗率中间高两端低，NO生成随转速的增高而下降。喷射压力影响燃油的雾化和空间分布，喷射压力越高，扩散速度越快空间分布越广有利于混合气的形成。喷射压力越高，对应jet数越大喷雾上下侧与空气间摩擦作用越强烈，对液滴粉碎作用越强有利于燃油雾化。不同喷射压力对混合气形成的影响较大，从而影响NO生成。

关键词：燃烧室形状喷射压力混合气形成 da数 jet数

岩体裂隙溶质运移规律：化学反应影响与溶质混合模型

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岩体裂隙溶质运移规律：化学反应影响与溶质混合模型

作者：孙华阳东北大学

学位级别：硕士

单裂隙和交叉裂隙构成了地下岩体裂隙网络,形成了地下水流动的主要通道。地下水在裂隙网络内的流动过程中包括对流、弥散、化学反应三种机制,流体流动过程会造成对流现象,改变溶质浓度;溶质浓度差会造成弥散现象,同时地下水中的反应性... 详细信息

单裂隙和交叉裂隙构成了地下岩体裂隙网络,形成了地下水流动的主要通道。地下水在裂隙网络内的流动过程中包括对流、弥散、化学反应三种机制,流体流动过程会造成对流现象,改变溶质浓度;溶质浓度差会造成弥散现象,同时地下水中的反应性溶质与可溶性矿物会发生水岩化学反应,改变溶质浓度,对流、弥散、化学反应三种机制共同构成了岩体裂隙网络反应性溶质运移过程。反应性溶质运移过程会造成岩体矿物组成成分和岩体结构的变化,影响地下工程的安全性和稳定性,特别是会造成地下垃圾填埋站、核废料处置室、水封油库等工程发生泄漏事故,污染周边环境,因此裂隙网络内的反应性溶质运移研究具有重要意义。本文将裂隙网络看做单裂隙和交叉裂隙的组合,首先分析单裂隙反应性溶质运移规律。之后建立交叉裂隙非反应性溶质运移模型。最后考虑反应作用,得出交叉裂隙反应性溶质运移规律。具体成果如下:(1)光滑单裂隙反应性溶质运移过程中,根据对流、弥散、化学反应作用对溶质运移影响的不同可以将沉淀类型分为四类。对流作用对溶质运移影响最大的条件下,属于均匀沉淀过程;对流、反应作用对溶质运移影响相当条件下,属于非均匀沉淀过程;反应作用对溶质运移影响最大的条件下,属于极端非均匀沉淀过程;对流作用对溶质运移影响最大的条件下,属于均匀沉淀转非均匀沉淀过程。反应速率与溶质浓度和反应动力学常数有关。相同工况下沉淀和溶解条件下开度变化相同,方向相反。(2)粗糙单裂隙反应性溶质运移过程中,粗糙度不影响沉淀类型的划分,与光滑单裂隙相比,相同工况下粗糙裂隙闭合时间更短。对流作用对溶质运移影响最大的条件下裂隙几何形貌变化较小;化学反应作用对溶质运移影响最大的条件下裂隙几何形貌变化较小;弥散作用对溶质运移影响最大的条件下裂隙几何形貌变化较小;对流作用、化学反应作用对溶质运移影响相当的条件下裂隙逐渐趋近于光滑。建立光滑单裂隙溶质运移修正模型,修正模型在裂隙闭合时间上与粗糙裂隙更接近,能够较好地模拟粗糙单裂隙溶质运移过程。(3)交叉裂隙非反应性溶质运移过程中,两个注入口 Pe数比值的增加会导致裂隙交叉处溶质混合程度的减弱,裂隙交叉角度的增加会导致溶质混合程度的减弱。考虑Pe数和裂隙交叉角度建立交叉裂隙非反应性溶质运移模型。分析不同裂隙交叉角度和Pe数下交叉裂隙非反应性溶质运移过程,拟合模型参数。(4)交叉裂隙溶质运移过程中化学反应作用对交叉裂隙溶质运移过程中混合程度的影响较小。对流作用对溶质运移影响最大的条件下出口处溶质浓度与非反应性溶质运移过程相差较小;弥散作用对溶质运移影响最大的条件下出口处溶质浓度与非反应性溶质运移过程相差较小;化学反应作用对溶质运移影响最大的条件下出口处溶质浓度为饱和浓度,小于非反应性溶质运移过程出口处溶质浓度;对流作用、反应作用对溶质运移影响相当的条件下出口处溶质浓度小于非反应性溶质运移过程出口处溶质浓度。弥散作用对溶质运移影响最大的条件下,不同分支属于均匀沉淀过程;对流作用、化学反应作用对溶质运移影响相当的条件下,两个注入分支为非均匀沉淀过程,两个出口分支开度变化较小;化学反应作用对溶质运移影响相当的条件下两个注入分支属于极端非均匀沉淀过程,出口分支开度未发生变化;对流作用对溶质运移影响最大的条件下四个分支属于均匀沉淀转向非均匀沉淀过程。

关键词：单裂隙交叉裂隙溶质运移模型沉淀类型 Pe数 da数

吸热型碳氢燃料流动传热与裂解过程耦合机理及其控制方法

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吸热型碳氢燃料流动传热与裂解过程耦合机理及其控制方法