超声速燃烧室乙烯及其混合燃料点火及火焰特性研究

	超声速燃烧室乙烯及其混合燃料点火及火焰特性研究
英文题名	Studies on Ignition and Flame Characteristics of Ethylene and Its Blended Fuels in Supersonic Combustor
	程柳维
导师	仲峰泉
	2017
学位授予单位	中国科学院大学
学位授予地点	北京
学位类别	博士
学位专业	流体力学
摘要	超声速燃烧室作为吸气式高超声速飞行器动力系统的核心部件，其内部燃料的燃烧组织及释热分布是决定燃烧室及发动机性能的重要因素。对注入燃烧室超声速气流中的燃料进行有效可控的点火是燃烧组织的基础，火焰形态及其传播特性又直接影响了燃烧释热分布特征。因此，本文主要开展了乙烯及其混合燃料在超声速气流中点火及与火焰特性的研究工作。吸气式高超声速飞行器在高马赫数下飞行时，发动机内壁面会形成很高的热载荷，使发动机热防护面临严峻挑战。以机载燃料（如航空煤油）作为冷却剂的主动冷却技术是解决发动机热防护问题的一种常用方法。燃料在喷入燃烧室前，流经发动机壁面的冷却通道，在进入燃烧室时已裂解为主要由各类小分子碳氢化合物（如甲烷、乙烯、乙烷等）及氢组成的气态混合物。另外，在发动机启动过程中，小分子碳氢燃料也常用来形成引导火焰，在大分子碳氢燃料喷注前预热发动机结构，改善大分子碳氢燃料的点火性能。因此，本文的另一个重点是对氢和甲烷、乙烯等小分子碳氢化合物的混合燃料开展实验研究。目前在超燃冲压发动机研究中，氢和乙烯的燃烧特性已经有很多成果，但小分子多组分混合燃料（氢、甲烷、乙烯、乙烷、丙烯和丙烷等）的燃烧特性却很少被系统地研究。因此，本文选取了三组混合燃料作为研究对象，并将其点火及火焰特性的实验结果和乙烯进行对比分析。第一组为氢和乙烯组成的混合气体，第二组为氢、甲烷、乙烯组成的混合气体。第三组为氢、甲烷、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷组成的混合气体，用来模拟航空煤油在不同温度下的裂解气态产物。本文通过CH自发光和高速摄影技术，研究了乙烯及其混合燃料点火过程中初始火焰的形成与火焰传播过程，获得了不同当量比和混合燃料组分比条件下的火焰形态与频谱特性。研究表明，随着当量比的增大，乙烯及其混合燃料的火焰形态由凹腔稳焰模式的条带状转变为射流稳焰模式的椭圆形，这与燃烧模态由超燃模态向过渡模态转变相关。同时，氢/乙烯混合燃料在高当量比时实现自点火，火焰在燃烧室下游形成并向上传播，最终稳定在射流尾迹和凹腔内，火焰传播速度在122~280m/s之间。通过分形几何方法，分析了火焰边界的自相似性，用火焰边界的分形维数来定量表征边界的蜷曲褶皱程度，定性表征湍流火焰传播速度。对燃烧室固定位置处CH自发光强度和壁面压力进行了频谱分析，发现火焰存在300Hz以下的特征频率。本文通过CH自发光得到火焰的时均形态，将CH自发光图像沿高度方向积分，得到了相对释热率沿燃烧室轴向的一维分布。通过吸收光谱技术测量燃烧室出口水蒸气浓度，与燃料总包反应生成物中水含量进行比较，获得了燃烧效率。因此，基于燃料热值及燃烧效率，确定了总释热量，从而将燃料的相对释热率进行了定量化分析。随着当量比的增加，释热峰值位置从凹腔后缘移动到凹腔中部，这与火焰形态从条带状过渡到椭圆形直接相关。乙烯释热峰值也从9.4MW/m增加到13.4MW/m。同时，本文基于燃烧室固壁的非定常热传导和泛函变分原理，发展了共轭梯度反演算法。通过测量燃烧室外壁面温度变化，反演获得了对应位置处内壁面的热流。基于燃烧室内壁面热流的沿程分布，定量评估了燃烧室的壁面热损失。结合实验测量的静压分布，改进了燃烧室一维流动分析模型。通过一维分析模型得到的释热分布与CH*自发光方法得到的结果吻合较好。最后，本文通过配比氢、甲烷、乙烯、乙烷、丙烯和丙烷的摩尔比例，模拟了国产3号航空煤油在不同温度下热裂解气态产物，实验研究了裂解产物替代物的点火与火焰特性。研究表明其点火时间约为相同当量比乙烯的十几倍，燃烧随当量比的增加而减弱，这与其点火延迟时间随当量比增加而增大相关。以上工作将有助于深入了解碳氢化合物及其混合物在超声速气流中的点火与火焰特性，并为超声速燃烧室的释热分布优化提供参考。
索取号	Phd2017-004
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/60386
专题	高温气体动力学国家重点实验室
推荐引用方式 GB/T 7714	程柳维. 超声速燃烧室乙烯及其混合燃料点火及火焰特性研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2017.

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