小波瓣燃烧器燃烧特性实验和数值研究

摘要

现代航空航天中，微型卫星、火箭以及飞行器的出现对动力系统提出了更高的要求。而高能量密度的碳氢燃料也为高效燃气涡轮等微型发动机(Miniature engine)的应用提供了可能。微型燃烧器作为基于燃烧的微型发动机的核心部件，相对于传统燃烧器的掺混燃烧过程，其掺混燃烧目前至少面临着以下三个方面的挑战：（I）微型燃烧系统中，燃料同氧化剂混合燃烧的驻留时间约为常规发动机的1/100，这大大制约了燃料同空气混合及反应的时间，故在微型发动机中很难实现燃料的完全燃烧；（II）微型发动机燃烧系统的尺寸很小，其特征尺寸与火焰的点火尺寸及燃烧的淬熄尺寸相近，这增加了燃烧的不稳定性；（III）微发动机燃烧室面容比较大，这会导致较大的热损失，从而影响发动机的热效率，火焰稳定区的燃烧温度以及燃料的着火极限。波瓣混合器由于具有周期性的花瓣形结构，能够在其尾缘处产生沿流动方向发展的流向涡阵列，使主、次流在较短距离内实现充分混合。由于该特性的存在，波瓣混合器在航空发动机增推、降噪等方面以及空气涡轮火箭/冲压发动机（ATR）快速掺混、强化燃烧等方面较传统的混合器，具有许多独到的优势。根据流动的相似定律，在毫米级波瓣喷管的流场中，也将会出现流向涡、正交涡等涡系结构。故将毫米级波瓣喷嘴作为气体燃料的燃烧器，即微小波瓣燃烧器，应用于微型燃气涡轮的燃烧室中，如果在燃烧器下游也出现涡系阵列，那么燃料同氧化剂不仅能够充分混合，燃烧效率也将获得提高，此外燃料在微波瓣燃烧器下游涡系的作用下在燃烧室内的停留时间也将增加，这将提高燃烧的稳定性。因此需要对微波瓣燃烧器的应用进行研究。但到目前为止，仅有的报道都是基于分米级别的波瓣燃烧器，而同时关于毫米级别的微波瓣燃烧器几乎没有报道。
　　本研究采用数值仿真方法对微波瓣燃烧器、环形圆柱燃烧器的流动、燃烧情况进行了研究，得到了当量比及掺氢比对燃烧器燃烧特性的影响规律。结果表明：微波瓣燃烧器中流向涡的存在以及甲烷同氧气混合面积的增加有助于提高燃料同氧化剂的混合，从而使得在不同当量比及掺氢比环境下混合燃烧室内均具有更快的化学反应速率，更高的火焰温度；随着当量比增大，在中心轴线上的最高火焰温度及火焰长度逐渐增大，但在混合燃烧室内火焰温度却逐渐降低；在甲烷/氢气混合燃料扩散燃烧的过程中，甲烷具有更快的消耗速率，“优先”和氧气发生反应；随着掺混氢气增加，中心轴线上的火焰温度峰值及火焰长度逐渐增大，但是主要化学反应径向位置基本不变。

目录

1 概 述

1.1研究背景

1.2研究现状

1.3理论基础

2 实验及数值方法验证

2.1实验台系统

2.2实验工况及结果

2.3数值方法

2.4实验与CFD方法对比

3 小波瓣燃烧器燃烧特性

3.1流场分析

3.2火焰结构分析

3.3燃烧效率

4 当量比对火焰结构的影响

4.1流场影响

4.2火焰结构

4.3本章小结

5 掺氢比对火焰结构的影响

5.1流场影响

5.2火焰结构

5.3本章小结

6 结论与展望

6.1结论

6.2创新点

6.3工作展望

致谢

参考文献

附录 在读期间获得的学术成果