RP-3航空煤油的超臨界噴射、蒸發(fā)和爆震燃燒特性研究

【摘要】：隨著高超聲速飛行器的發(fā)展,未來高性能動力裝置的工作參數(shù)和冷卻需求越來越高,其燃燒室環(huán)境和噴射燃油的溫度和壓力有望分別超過燃油的臨界值,從而涉及超臨界工況。當(dāng)發(fā)動機的燃燒室環(huán)境達到超臨界時,燃油的霧化、蒸發(fā)和燃燒規(guī)律會發(fā)生一定的改變,而當(dāng)液態(tài)燃油達到超臨界態(tài)時,它會變成一種具有接近液態(tài)燃料熱值的高密度類氣態(tài)物質(zhì),使得噴射和燃燒過程與常規(guī)工況迥然不同。另外,超臨界態(tài)燃油的燃燒過程相當(dāng)于跨越了常規(guī)燃燒時的霧化和蒸發(fā)過程而直接燃燒,恰好可以滿足高性能發(fā)動機對急速霧化和燃燒的需求。因此,以未來高性能發(fā)動機中超臨界燃燒室的研制為背景,開展常用液態(tài)碳氫燃料的超臨界研究具有重要的意義。本文主要圍繞RP-3航空煤油的超臨界噴射、蒸發(fā)和燃燒特性開展了相關(guān)的實驗和數(shù)值研究。1)通過實驗分別對RP-3航空煤油的組分構(gòu)成、密度、泡點、露點和臨界點等物性參數(shù)進行了測量,獲得了大量的物性數(shù)據(jù),并基于PR狀態(tài)方程發(fā)展了RP-3航空煤油的密度計算方法,根據(jù)Clausius-Clapeyron方程擬合實驗數(shù)據(jù)得到了泡點和露點的經(jīng)驗公式。此外,還通過實驗測量了超臨界RP-3航空煤油的壅塞流量,分析了超臨界流量隨溫度和壓力的變化規(guī)律。2)在超臨界環(huán)境中采用石英纖維懸垂液滴的方式,研究了單個RP-3航空煤油液滴在超臨界環(huán)境中的蒸發(fā)特性,對比分析了其與常規(guī)亞臨界蒸發(fā)過程的差異,得到了環(huán)境參數(shù)和液滴初溫對液滴無量綱直徑的平方、瞬態(tài)蒸發(fā)常數(shù)、蒸發(fā)壽命、最大初始膨脹率和液滴邊界遷移等特性的影響,通過分析認(rèn)為,液滴邊界的超臨界遷移是造成其超臨界蒸發(fā)過程偏離D2定律的主要原因。3)實驗研究了超臨界RP-3航空煤油與氮氣同軸噴射和摻混的近場射流結(jié)構(gòu)、射流冷凝規(guī)律和溫度場分布特性,系統(tǒng)分析了超臨界摻混射流受主流參數(shù)、摻混氣流參數(shù)和摻混結(jié)構(gòu)的影響。通過研究得到了噴嘴結(jié)構(gòu)和噴射參數(shù)對加速或減緩超臨界摻混射流冷凝的基本規(guī)律,掌握了噴射壓比、噴射流量、摻混結(jié)構(gòu)、臨界相變和工質(zhì)冷凝等因素對改變超臨界同軸摻混射流近場激波結(jié)構(gòu)的主要作用機理。4)通過數(shù)值模擬的方法對超臨界燃油噴射到靜止超臨界氮氣環(huán)境中的射流特征進行了研究,主要關(guān)注環(huán)境參數(shù)和噴射參數(shù)對超臨界射流長度和射流擴張角的影響。研究發(fā)現(xiàn),超臨界射流形態(tài)受到噴射速度、黏性、密度比和動量比等多方面因素的綜合影響,但其對噴射參數(shù)的敏感性遠高于環(huán)境參數(shù),其受噴射動量比的影響幅度遠高于受噴射密度比的影響。5)開展了以超臨界RP-3航空煤油作為PDRE燃料的發(fā)動機臺架試驗,分析了超臨界燃料燃燒對發(fā)動機工作性能的提升作用。研究發(fā)現(xiàn),保持3.0 MPa燃油供給壓力不變時,采用超臨界燃油作為燃料時的發(fā)動機比沖大幅提高,其中混合物比沖的增幅約為15.14%,燃料比沖的增幅高達169.67%,DDT距離顯著縮短約52.6%。當(dāng)保持燃油供給流量為1.524 g/s不變時,采用超臨界燃油的發(fā)動機比沖較之采用常溫燃油時平均提高了一倍以上。 【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V231

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