【摘要】：為實現(xiàn)CAEP確定的2050年民用航空凈排放量減至2005年50%水平這一綠色航空環(huán)境目標,除航空運輸業(yè)的積極經(jīng)濟政策與管理技術外,環(huán)境友好低排放燃燒技術(包括替代燃料技術、高效燃燒技術等清潔發(fā)動機技術)是航空發(fā)動機設計制造部門的主要創(chuàng)新目標,就現(xiàn)有航空燃料而言,減少NOx排放量的主要措施是更低的燃燒溫度、更短的高溫燃燒時間(在更完全燃燒、更高的能量轉化效率前提下)。NOx生成機理的過程相對復雜,從目前研究成果看,主要有:高溫條件下N2氧化基元反應的Zeldovich機制、熱力場中燃料高分子鏈CH的C-N-O-H官能團置換裂解氧化Fenimore機制、燃料裂解小分子N2O-CN-CHN-NO的中間產物轉化wolfrum(該機制決定NO/NOx占比)機制,隨著光譜測試技術的發(fā)展,穩(wěn)定中間產物的測試和控制技術研究進展很快。分級燃燒一直是NOx低污染排放控制技術的主流,即根據(jù)NOx的生成機理控制燃燒反應的溫度、燃氣比等過程變量,但由于不同發(fā)動機寬工作狀態(tài)、高效率、高入口燃氣溫度、安全性穩(wěn)定性等約束,NOx低污染排放技術一直在不同性能指標的協(xié)同中優(yōu)化發(fā)展。燃料、空氣及其混合比,在航空發(fā)動機燃燒全流程都受到高度關注,大量CFD數(shù)值模擬方法得以研究、應用和發(fā)展,不同的混合燃燒區(qū)域,也整理完善了大量模型,但數(shù)值模擬的核心還是對過程狀態(tài)的模型物理認知和時空步長設定,物理認知與采用的數(shù)學方法無關;時空步長涉及依據(jù)燃燒室尺寸的機理判定和模型設計、物理認知(強紊流條件Re105～106,流動時間尺度和化學反應尺度不相當,是目前急需發(fā)展的紊動化學反應動力學條件),目前很多仿真結果不能被工程設計采用,其核心問題是過程判斷的可靠性(一個核心判斷是連續(xù)、非連續(xù)過程的確定,另一個核心判斷是均值與脈動幅值的關系)。模型定義,需要依據(jù)大量仿真與試驗數(shù)據(jù)進行過程判斷并控制,因此基于經(jīng)驗數(shù)據(jù)、理論數(shù)據(jù)的模型選擇和仿真,是一個不斷優(yōu)化的過程,不斷優(yōu)化數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)剔除、識別和處理)、率定參數(shù),根據(jù)仿真結果要求不斷提高連續(xù)方程級數(shù)(網(wǎng)格梯度精度)、控制誤差在允許范圍。航空發(fā)動機NOx排放的仿真、測試與估算,其機理、模型、方法與發(fā)動機運行狀態(tài)密切相關,如在服役期和大修后,其性能退化會導致一些污染物排放量增加,如CO、UHC、SOOT排放上升約10%,但對NOx的排放影響較小,僅微升約2%。本文開展了四個T*4狀態(tài)(873K/1073K/1273K/1473K)加力燃燒室污染物排放的試驗和仿真研究,并在V型試驗器上進行了 CFD數(shù)值仿真,比較分析斷面溫度場、濃度場測試數(shù)據(jù),可以得出仿真結論:利用κ-ε渦耗散模型等紊流模型,在紊流發(fā)展區(qū)可以得到很好的結果驗證,CFD紊流模型的誤差主要源于紊流模型和化學反應動力學模型的交互;燃氣比、氣氛、燃燒室出口溫度分布與NOx排放正相關。試驗測試得出主要結論如下:開展NOx污染物的斷面分布情況研究,CO2和O2的濃度和基本保持不變,是理想的測試基數(shù);NOx流動中心區(qū)域的實測數(shù)據(jù)與仿真結果高度吻合,NOx/CO具有顯著的反函數(shù)協(xié)同,可以嘗試把斷面分布圖像相似度用于分析斷面參數(shù)分布特征。激光及光譜技術被廣泛用于航空發(fā)動機的參數(shù)與排氣組分測試,本文開展了基于紅外大氣窗口的發(fā)動機尾噴口紅外測試技術研究,利用紅外熱像儀測試尾噴口溫度場,驗證了溫度低于773K的黑體校準技術可行性,試驗結果表明:773K時,最高輻射亮度達8.26×10-4(W/(m2.sr.um)),在3～5μm窗口波段亮度曲線特征明顯(峰值波長4.245μm);分析了測試距離、環(huán)境溫度等因素對大氣透過率、目標發(fā)射率的影響并研究了模型修正算法,測試誤差可以實現(xiàn)現(xiàn)場修正,在繼續(xù)完善溫度T773K的校準方法基礎上,紅外測試技術可能成為航空發(fā)動機尾噴的實測技術。
【學位授予單位】：東北大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：X738
【圖文】：

Ｈ邋Ｂｉｏｆｕｅｌｓ邋ａｎｄ邋ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ邋ｎｅｗ－ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ邋ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ邐—邋Ｍｅｔ邋ｅｍＪｓｓ？ｏｎｓ邋ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ逡逑圖１．３截止２０５０年的航空減排技術路線圖逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ邋ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ邋ｔｃｃｈｎｏｌｏｇ＞邋ｒｏａｄｍａｐ邋ｕｎｔｉｌ邋２０５０逡逑^u展航空燃氣渦輪發(fā)動機污染物的排放規(guī)律研究，其一有助于航空發(fā)動機設逡逑計人員通過排氣溫度、污染物的組分、濃度等分布規(guī)律，分析提高航空發(fā)動機燃逡逑燒效率、降低污染物排放的技術手段和改進措施，提高環(huán)境友好型航空發(fā)動機設逡逑計水平；其二有助于建立有效的燃燒室燃燒過程仿真方法，污染物排放量估算方逡逑法，提高新型發(fā)動機設計的可靠性；其三有利于完善基于航空

邐３５邐４０逡逑圖１．２以２０００年為基準的ＣＡＥＰ減排標準和現(xiàn)有主要航空發(fā)動機型號的技術狀態(tài)逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｓｔａｎｄａｒｄｓ邋ｏｆ邋ＣＡＥＰ邋ｅｍｉｓｓｉｏｎ邋ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ邋ｂａｓｅｄ邋ｏｎ邋２０００邋ａｎｄ邋ｔｈｅ邋ｔｅｃｈｎｉｃａｌ邋ｓｔａｔｕｓ邋ｏｆ邋ｍａｊｏｒ逡逑ａｅｒｏ邋ｅｎｇｉｎｅ邋ｍｏｄｅｌｓ邋ａｔ邋ｐｒｅｓｅｎｔ逡逑表１．１發(fā)動機總壓比７ｃ0之３０，Ｆ２８９ｋＮ的ＣＡＥＰ排放現(xiàn)值逡逑Ｔａｂｌｅ邋１．１邋Ｔｈｅ邋ｐｒｅｓｅｎｔ邋ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ邋ｖａｌｕｅ邋ｏｆ邋ＣＡＥＰ邋ａｔ邋ｅｎｇｉｎｅ邋ｔｏｔａｌ邋ｐｒｅｓｓｕｒｅ邋ｒａｔｉｏ邋＞邋３０，Ｆ逡逑邐①彡８９ｋＮ邐逡逑ＣＡＥＰ邋Ｉ邐ＣＡＥＰ邋ＩＩ邐ＣＡＥＰＩＶ邐ＣＡＥＰＶＩ邐ＣＡＥＰＶＥＩ逡逑４０＋２．0７ｃｆＸ，邐３２＋２．0７ｒ0：．邐７＋２．0７Ｃｃ0邐－１．０４＋２．0７１0：，逡逑一邋Ｎｏ邋ａｃｔｉｏｎ逡逑一邐Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ逡逑１邋＾＿一－一一邋．逡逑｜邐，邋一邐Ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ逡逑＾邐＿邐邐—邐ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ逡逑＾邐一－？一邋＿＿一邋邋邋邐＇邋ａｎｄ邋ｂｉｏｆｕｅｌｓ邋Ｌａｒｔｘｊｎ邋ｎｅｕｔｒａｌ逡逑ｉ邐—一二0邐邐—－邋一逡逑’邐５０？ｆｃ邋ｂｙ邋２０５０逡逑ｏ逡逑２００５邐２０１０邐２０２０邐２０３０邐２０４０邐２０５０逡逑Ｋｎｏｗｎ邋ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

東北大學博士學位論文邐第２章航空渦輪發(fā)動機燃燒室ＮＯｘ排放數(shù)值模擬與仿真逡逑Ｉ

本文編號：2782960