本文關鍵詞：超聲速氣流中氣化煤油的噴注與燃燒特性研究

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【摘要】：本文以超聲速氣流中氣化煤油的噴注與燃燒特性為研究對象,采用試驗研究與數值分析相結合的方法,對氣化RP-3(中國3#航空煤油)的超聲速流動特性、氣化RP-3在超聲速氣流中的橫向噴注、火焰穩(wěn)定與燃燒特性進行了系統(tǒng)研究。基于一維等熵流動假設和廣義對應狀態(tài)法則,采用3組分與10組分替代模型分析了超臨界與氣態(tài)RP-3的超聲速流動特性。然后,開展了一系列超臨界、氣態(tài)和裂解態(tài)RP-3的超聲速流動試驗。以超聲速噴嘴的沿程壁面靜壓分布為基準,對比討論了試驗結果與兩種替代模型的計算值。結果表明:在RP-3熱物性對溫度和壓強變化敏感的工況下,兩種替代模型的計算值均與試驗結果有明顯偏差;對計算方法進行修正使計算與試驗具有相同的對比溫度Tcr(Tcr=T/Tc)和對比壓強Pcr(Pcr=P/Pc)后,兩種替代模型的計算精度均顯著提高。在RP-3熱物性隨溫度變化平緩的區(qū)域,兩種替代模型的計算值與試驗值的偏差均迅速縮小,此時修正方法對計算結果的影響較小。采用數值等熵加速法和3組分與10組分物理替代模型,分析了超臨界與氣態(tài)RP-3流動壅塞時的流量特性。在熱物性隨總溫變化平緩的工況區(qū)域,試驗驗證了氣化RP-3的流量特性。結果表明,溫度修正后的3組分替代模型的計算值與試驗結果符合較好。采用紋影法研究了超臨界RP-3在超聲速氣流中橫向噴注時的穿透深度。結果表明,由于氣化RP-3聲速噴注時的動壓比遠小于乙烯的動壓比,相當的試驗條件下前者的穿透深度明顯低于后者。同時研究了噴注角度和燃料溫度對氣化RP-3穿透深度的影響。此外,采用溫度修正的10組分替代模型分析了氣化RP-3的超聲速噴注特性。結果表明,氣化RP-3在馬赫數Ma≈1.4時動壓達到最大值。通過調節(jié)乙烯的噴注壓強,在不同當量比下系統(tǒng)研究了單邊擴張型并聯(lián)凹腔超聲速模型燃燒室的燃燒特性。乙烯通過凹腔上游的噴嘴噴注。基于燃燒室壁面靜壓分布和燃燒流場的可見光與紋影圖像,分析了不同燃燒模態(tài)下的火焰穩(wěn)定特性和流場特征。結果表明,乙烯分別在上、下壁面的并聯(lián)凹腔附近形成了分離且非對稱的火焰。燃燒室內的火焰穩(wěn)定模式和流場特征隨燃燒模態(tài)而變。超燃模態(tài)下,燃燒室壁面附近無大尺度流動分離,火焰均處于凹腔穩(wěn)焰模態(tài)。沖壓模態(tài)下,強預燃激波串誘導的分離區(qū)對當地燃料噴注、混合和火焰穩(wěn)定有顯著促進作用,使得上壁面火焰處于噴流尾跡穩(wěn)焰模式,且分布范圍遠大于下壁面火焰;與此同時,下壁面凹腔附近無明顯分離,火焰處于凹腔穩(wěn)焰模式。上、下壁面火焰之間體現出競爭與合作這兩種相互作用。采用氣化RP-3、乙烯、乙烯-甲烷混合氣、甲烷和液態(tài)RP-3等燃料,研究了燃料成分和相態(tài)對超聲速燃燒室貧燃穩(wěn)焰邊界的影響。結果表明,相對于液態(tài)RP-3,省去了霧化與蒸發(fā)過程的氣化RP-3具有更低的貧燃穩(wěn)焰邊界。與氣化RP-3和甲烷等燃料相比,化學活性更強的乙烯和乙烯-甲烷混合氣顯著降低了燃燒室的貧燃穩(wěn)焰邊界。乙烯與混合氣可以在超燃模態(tài)和沖壓模態(tài)下保持火焰穩(wěn)定,而氣化RP-3、液態(tài)RP-3和甲烷的火焰無法在超燃模態(tài)下自持。裂解增強了RP-3的火焰穩(wěn)定能力。采用乙烯、無明顯裂解的氣化RP-3和液態(tài)RP-3在寬當量比范圍內試驗研究了成分與相態(tài)變化對燃料超聲速燃燒特性的影響。結果表明,成分和相態(tài)對燃料燃燒特性的影響受當量比影響很大。低當量比條件下,乙烯的靜壓水平和比沖顯著高于氣化RP-3;兩種燃料靜壓水平和比沖的差別隨當量比的增加而迅速縮小;當量比增加到1.09時,乙烯和氣化RP-3具有近乎重合的靜壓曲線和基本相等的比沖。氣化RP-3與液態(tài)RP-3燃燒特性之間的差異同樣隨當量比的增加而縮小。試驗研究了凹腔布置方案對氣化RP-3和乙烯燃燒特性的影響。結果表明,凹腔布置方案對燃料火焰穩(wěn)定、釋熱特性和燃燒性能有重大影響,且這種影響隨當量比和燃料性質而變。
【學位授予單位】：國防科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：V312

【參考文獻】

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本文編號：1182391