超声速气流中气化煤油的喷注与燃烧特性研究

【摘要】：本文以超声速气流中气化煤油的喷注与燃烧特性为研究对象,采用试验研究与数值分析相结合的方法,对气化RP-3(中国3#航空煤油)的超声速流动特性、气化RP-3在超声速气流中的横向喷注、火焰稳定与燃烧特性进行了系统研究。基于一维等熵流动假设和广义对应状态法则,采用3组分与10组分替代模型分析了超临界与气态RP-3的超声速流动特性。然后,开展了一系列超临界、气态和裂解态RP-3的超声速流动试验。以超声速喷嘴的沿程壁面静压分布为基准,对比讨论了试验结果与两种替代模型的计算值。结果表明:在RP-3热物性对温度和压强变化敏感的工况下,两种替代模型的计算值均与试验结果有明显偏差;对计算方法进行修正使计算与试验具有相同的对比温度Tcr(Tcr=T/Tc)和对比压强Pcr(Pcr=P/Pc)后,两种替代模型的计算精度均显著提高。在RP-3热物性随温度变化平缓的区域,两种替代模型的计算值与试验值的偏差均迅速缩小,此时修正方法对计算结果的影响较小。采用数值等熵加速法和3组分与10组分物理替代模型,分析了超临界与气态RP-3流动壅塞时的流量特性。在热物性随总温变化平缓的工况区域,试验验证了气化RP-3的流量特性。结果表明,温度修正后的3组分替代模型的计算值与试验结果符合较好。采用纹影法研究了超临界RP-3在超声速气流中横向喷注时的穿透深度。结果表明,由于气化RP-3声速喷注时的动压比远小于乙烯的动压比,相当的试验条件下前者的穿透深度明显低于后者。同时研究了喷注角度和燃料温度对气化RP-3穿透深度的影响。此外,采用温度修正的10组分替代模型分析了气化RP-3的超声速喷注特性。结果表明,气化RP-3在马赫数Ma≈1.4时动压达到最大值。通过调节乙烯的喷注压强,在不同当量比下系统研究了单边扩张型并联凹腔超声速模型燃烧室的燃烧特性。乙烯通过凹腔上游的喷嘴喷注。基于燃烧室壁面静压分布和燃烧流场的可见光与纹影图像,分析了不同燃烧模态下的火焰稳定特性和流场特征。结果表明,乙烯分别在上、下壁面的并联凹腔附近形成了分离且非对称的火焰。燃烧室内的火焰稳定模式和流场特征随燃烧模态而变。超燃模态下,燃烧室壁面附近无大尺度流动分离,火焰均处于凹腔稳焰模态。冲压模态下,强预燃激波串诱导的分离区对当地燃料喷注、混合和火焰稳定有显著促进作用,使得上壁面火焰处于喷流尾迹稳焰模式,且分布范围远大于下壁面火焰;与此同时,下壁面凹腔附近无明显分离,火焰处于凹腔稳焰模式。上、下壁面火焰之间体现出竞争与合作这两种相互作用。采用气化RP-3、乙烯、乙烯-甲烷混合气、甲烷和液态RP-3等燃料,研究了燃料成分和相态对超声速燃烧室贫燃稳焰边界的影响。结果表明,相对于液态RP-3,省去了雾化与蒸发过程的气化RP-3具有更低的贫燃稳焰边界。与气化RP-3和甲烷等燃料相比,化学活性更强的乙烯和乙烯-甲烷混合气显著降低了燃烧室的贫燃稳焰边界。乙烯与混合气可以在超燃模态和冲压模态下保持火焰稳定,而气化RP-3、液态RP-3和甲烷的火焰无法在超燃模态下自持。裂解增强了RP-3的火焰稳定能力。采用乙烯、无明显裂解的气化RP-3和液态RP-3在宽当量比范围内试验研究了成分与相态变化对燃料超声速燃烧特性的影响。结果表明,成分和相态对燃料燃烧特性的影响受当量比影响很大。低当量比条件下,乙烯的静压水平和比冲显著高于气化RP-3;两种燃料静压水平和比冲的差别随当量比的增加而迅速缩小;当量比增加到1.09时,乙烯和气化RP-3具有近乎重合的静压曲线和基本相等的比冲。气化RP-3与液态RP-3燃烧特性之间的差异同样随当量比的增加而缩小。试验研究了凹腔布置方案对气化RP-3和乙烯燃烧特性的影响。结果表明,凹腔布置方案对燃料火焰稳定、释热特性和燃烧性能有重大影响,且这种影响随当量比和燃料性质而变。 【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V312

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