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          基于Damkohler數的鈍體穩燃火焰貧油熄火邊界預測方法研究取得進展
          发稿时间:2019-04-26         作者:王中豪、胡斌          来源:國家能源風電葉片研發(實驗)中心     【字号:

            鈍體穩燃是航空發動機加力燃燒室中普遍采用的穩燃方法。加力燃燒室的入口氣流含氧量較低(質量百分比12%~17%),總壓也相對較小(0.1Mpa~0.4Mpa),均不利于燃燒穩定。因此,在加力燃燒室設計階段,需要多次進行燃燒室貧熄邊界的預測和相應的設計優化。發展一套高精度、高效率的鈍體穩燃火焰貧熄預測方法,對于縮短加力燃燒室設計周期、提升加力燃燒室貧熄性能,具有重要意義。本研究提出了一種基于DamkohlerDa)數模型並與數值模擬相結合的複合貧熄預測方法,該方法整合了數值模擬方法和半經驗模型的優勢,能夠適應多種來流工況,且計算成本低、速度快,適用于解決工程實際問題,能夠爲加力燃燒室設計提供技術支持。 

            Da數爲一無量綱時間尺度,是流動時間尺度τf與化學時間尺度τc的比值,可表示爲Da=τf/τc.在本研究中,基于流場中的反應區對這兩個時間尺度進行了定義。在數值模擬獲得的反應流場中,根據OH基的濃度分布分離出反應區,並認爲反應區內發生的燃燒會對全局的燃燒穩定産生決定性作用。流動時間尺度定義爲新鮮混氣在反應區的實際停留時間,化學反應時間尺度則是基于均勻攪拌反應器模型計算獲得的能夠在反應區內觸發燃燒反應的新鮮混氣的最短停留時間。貧油熄火的臨界Da數爲1,在此狀態下,新鮮混氣在反應區的實際停留時間恰好等于能夠觸發反應的最短停留時間,表明當前燃燒處于即將發生熄火的臨界狀態。 

            爲驗證本研究提出的預測方法的有效性,采用文獻中的貧熄實驗數據進行了驗證,鈍體穩燃燃燒室計算模型如圖1所示。 

            通過本研究提出的方法對不同來流馬赫數和不同來流溫度下的近貧熄工況進行了Da數計算,圖2爲近貧熄工況下的Da數計算結果。由圖2可以看出,盡管來流馬赫數和來流溫度發生了變化,但是近貧熄工況下的Da數均接近1,表明由本研究提出的預測模型獲得的燃燒狀態與實驗相一致。圖3爲不同來流溫度下的近貧熄工的況反應區及其內部高溫區,從工況1至工況3來流溫度逐漸提升。來流溫度的提升會拓寬燃燒室的貧熄邊界,導致燃燒區軸向長度縮短,相應地縮短了流動時間尺度;同時,由于來流溫度提升加速燃料蒸發,同時減少了高溫區熱損失,化學反應時間尺度相應縮短。兩個時間尺度的共同變化導致Da數維持在接近1的水平,表明當前燃燒處于近貧熄的狀態。 

            針對其中一個貧熄工況進行增油,使燃燒室內油氣比(FAR)逐漸增大,燃燒從貧熄狀態逐漸穩定,通過數值模擬獲得的Da數計算結果如圖4所示。當油氣比從0.00476增大至0.0195Da數由1增加至接近10,表明燃燒逐漸遠離貧熄狀態,趨于穩定。該結果表明,采用本研究提出的貧熄預測方法,能夠高效、精確地對不同來流工況下的鈍體穩燃火焰的貧熄邊界進行預測,縮短加力燃燒室設計周期,爲解決工程問題提供有力的技術支持。 

           

           

           

           

           
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