超聲速氣流中氣化煤油的噴注與燃燒特性研究

【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(duì)象,采用試驗(yàn)研究與數(shù)值分析相結(jié)合的方法,對(duì)氣化RP-3(中國(guó)3#航空煤油)的超聲速流動(dòng)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(jìn)行了系統(tǒng)研究?；谝痪S等熵流動(dòng)假設(shè)和廣義對(duì)應(yīng)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(dòng)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(dòng)試驗(yàn)。以超聲速噴嘴的沿程壁面靜壓分布為基準(zhǔn),對(duì)比討論了試驗(yàn)結(jié)果與兩種替代模型的計(jì)算值。結(jié)果表明:在RP-3熱物性對(duì)溫度和壓強(qiáng)變化敏感的工況下,兩種替代模型的計(jì)算值均與試驗(yàn)結(jié)果有明顯偏差;對(duì)計(jì)算方法進(jìn)行修正使計(jì)算與試驗(yàn)具有相同的對(duì)比溫度Tcr(Tcr=T/Tc)和對(duì)比壓強(qiáng)Pcr(Pcr=P/Pc)后,兩種替代模型的計(jì)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(jì)算值與試驗(yàn)值的偏差均迅速縮小,此時(shí)修正方法對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響較小。采用數(shù)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(dòng)壅塞時(shí)的流量特性。在熱物性隨總溫變化平緩的工況區(qū)域,試驗(yàn)驗(yàn)證了氣化RP-3的流量特性。結(jié)果表明,溫度修正后的3組分替代模型的計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)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(shí)的穿透深度。結(jié)果表明,由于氣化RP-3聲速噴注時(shí)的動(dòng)壓比遠(yuǎn)小于乙烯的動(dòng)壓比,相當(dāng)?shù)脑囼?yàn)條件下前者的穿透深度明顯低于后者。同時(shí)研究了噴注角度和燃料溫度對(duì)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(jié)果表明,氣化RP-3在馬赫數(shù)Ma≈1.4時(shí)動(dòng)壓達(dá)到最大值。通過(guò)調(diào)節(jié)乙烯的噴注壓強(qiáng),在不同當(dāng)量比下系統(tǒng)研究了單邊擴(kuò)張型并聯(lián)凹腔超聲速模型燃燒室的燃燒特性。乙烯通過(guò)凹腔上游的噴嘴噴注?；谌紵冶诿骒o壓分布和燃燒流場(chǎng)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(chǎng)特征。結(jié)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(duì)稱的火焰。燃燒室內(nèi)的火焰穩(wěn)定模式和流場(chǎng)特征隨燃燒模態(tài)而變。超燃模態(tài)下,燃燒室壁面附近無(wú)大尺度流動(dòng)分離,火焰均處于凹腔穩(wěn)焰模態(tài)。沖壓模態(tài)下,強(qiáng)預(yù)燃激波串誘導(dǎo)的分離區(qū)對(duì)當(dāng)?shù)厝剂蠂娮?、混合和火焰穩(wěn)定有顯著促進(jìn)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(yuǎn)大于下壁面火焰;與此同時(shí),下壁面凹腔附近無(wú)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(xiàn)出競(jìng)爭(zhēng)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(duì)超聲速燃燒室貧燃穩(wěn)焰邊界的影響。結(jié)果表明,相對(duì)于液態(tài)RP-3,省去了霧化與蒸發(fā)過(guò)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(xué)活性更強(qiáng)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(wú)法在超燃模態(tài)下自持。裂解增強(qiáng)了RP-3的火焰穩(wěn)定能力。采用乙烯、無(wú)明顯裂解的氣化RP-3和液態(tài)RP-3在寬當(dāng)量比范圍內(nèi)試驗(yàn)研究了成分與相態(tài)變化對(duì)燃料超聲速燃燒特性的影響。結(jié)果表明,成分和相態(tài)對(duì)燃料燃燒特性的影響受當(dāng)量比影響很大。低當(dāng)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(dāng)量比的增加而迅速縮小;當(dāng)量比增加到1.09時(shí),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(dāng)量比的增加而縮小。試驗(yàn)研究了凹腔布置方案對(duì)氣化RP-3和乙烯燃燒特性的影響。結(jié)果表明,凹腔布置方案對(duì)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(dāng)量比和燃料性質(zhì)而變。 【學(xué)位授予單位】：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V312

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