正癸烷高温燃烧特性实验与数值模拟研究

摘要

在超燃冲压发动机内，碳氢燃料在作为燃料的同时也作为热防护的冷却剂，即碳氢燃料在发动机内会将会经历两个过程，在发动机冷却通道内的换热裂解过程，以及在燃烧室内的燃烧过程，那么在进入燃烧室内燃烧的碳氢燃料其实是经过换热裂解过程后，处于高温或者混合各种小分子的状态。关于碳氢燃料经热防护后燃烧特性的变化还鲜有人研究，本课题基于此研究背景，通过实验和数值模拟两种研究方法，以正癸烷为目标燃料，研究了不同初温以及不同裂解程度下正癸烷的火焰燃烧性能。
　　本研究主要内容包括：⑴在哈尔滨工业大学高超声速研究中心的碳氢燃料裂解换热实验台基础上，自主设计完成同轴扩散燃烧器后，改造搭建了高温煤油喷射点火实验台，并对高温孔板流量测量方法进行了研究分析，提出了一种火焰图像分析处理的方法，对火焰性能参数测量方法进行了介绍以及燃烧性能进行了理论分析。⑵在完成了上述实验设计，理论分析后，改变了燃气初温控制方法，实现了对燃气燃烧前初始温度的有效控制，对不同初温条件下的正癸烷火焰特性进行了实验分析，分别研究了不同初温对于层流条件下火焰的释热区域、扩散角、火焰暗亮区域高度比、火焰扩散速度以及火焰烟气排放的规律，并对外界伴流条件下的点火稳定性进行了研究。⑶研究了不同裂解程度下，正癸烷火焰的释热、扩散角、暗亮区域高度比、扩散速度以及烟气排放，并与不同初温条件下的火焰进行了对比，对其不同特性进行了对比分析，并对不同裂解程度下火焰的点火稳定性与不同初温条件下的点火稳定性进行了对比，说明了裂解过程对于整个火焰性能提升方面的优势。⑷基于OpenFOAM开源数值模拟平台，耦合关于正癸烷的详细燃烧化学反应机理，在验证了模型的准确性后，分别对不同初始温度条件下以及不同裂解程度下的正癸烷火焰进行了模拟计算，对火焰内部流场进行了对比分析，对火焰性能提升的原因进行了理论分析，并对整个反应过程进行了路径分析，从理论上对火焰燃烧效率进行了定量的分析。发现增加燃气初始温度和增加燃料裂解率，就是分别通过增加反应过程的速率常数以及促进正反应过程，提高了燃烧过程的效率，且增加燃料裂解率对于燃烧效率的提升总体上来说是优于增加燃料的初始温度。定量掺混相同含量小分子燃料，发现含氢量作为影响燃烧效率的决定性因素，掺混小分子含氢量越高，燃烧效率越好。

目录

第1章 绪 论

1.1课题背景与研究意义

1.2国内外研究现状及分析

1.3本文的研究内容及章节安排

第2章 高温燃烧喷射实验系统

2.1引言

2.2实验系统方案

2.3高温燃烧相关实验数据处理方法

2.4本章小结

第3章 正癸烷未裂解率条件下变初始温度燃烧特性实验研究

3.1引言

3.2对于不同燃气初始温度控制方法

3.3未裂解条件下不同燃气初始温度对于层流火焰特性影响

3.4伴流条件下不同燃气初始温度火焰燃烧特性研究

3.5本章小结

第4章 正癸烷在裂解条件下燃烧特性随燃料裂解率变化规律

4.1引言

4.2正癸烷裂解性能研究

4.3裂解条件下正癸烷层流火焰特性

4.4伴流条件下不同裂解率火焰燃烧特性研究

4.5本章小结

第5章 耦合详细化学机理的正癸烷火焰数值模拟

5.1引言

5.2 结合详细化学机理的数值模拟方法介绍

5.3 模拟方法验证

5.4 不同初温条件下结合详细化学反应的正癸烷火焰模拟

5.5 不同裂解条件下正癸烷火焰模拟

5.6不同结构的小分子对于正癸烷燃烧特性的影响

5.7本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果

声明

致谢