超聲速氣流中氣化煤油的噴注與燃燒特性研究.pdf

1、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。
　　基于一維等熵流動(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)，

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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??；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)