航空发动机燃烧室点火模拟及特性研究

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主燃烧室点火的可靠性及燃烧的稳定性是航空发动机的重要性能参数,准确预测燃烧室的点熄火性能对发动机的设计和工作具有重要意义。本文基于FLUENT商用软件,对燃烧室的点火过程及其特性进行了数值模拟研究。首先通过带蒸发管式火焰稳定器的模型燃烧室实验,综合校验数值模拟计算结果,以此确立合理的点火计算方法。在此基础上以单头部、多头部环形燃烧室为研究对象,进行三维两相稳态燃烧及点火过程的数值模拟,并针对燃烧室冷态流场分布、燃油浓度分布、温度分布及燃烧室贫油点熄火性能进行了一系列分析研究,主要成果包括:(1)以蒸发管式火焰稳定器模型燃烧室为研究对象,通过数值模拟研究了蒸发管式火焰稳定器在不同马赫数进口条件下的冷、热态流动特性,并采用燃油稳态逐次逼近法对模型燃烧室的贫油点熄火极限进行了预测,计算结果与实验结果进行了对比分析,以此来校验本文数值模拟所采用的计算方法。研究结果表明,通过燃油稳态逐次逼近法计算所得的燃烧室贫油熄火极限结果是合理的。(2)建立了单头部环形燃烧室简化模型,根据一个起动固定状态点的进口条件,对燃烧室模型的冷态和热态流场进行了计算,获得了单头部燃烧室稳态流动特性及燃烧室贫油点熄火极限。在进行热态流场计算时,选取航空煤油合适的化学反应机理,并引入稳态层流小火焰模型与EDC燃烧模型进行对比分析。结果表明:采用多步反应机理计算所得的燃烧室各截面温度明显小于采用单步反应计算的结果;采用层流小火焰模型计算所得主燃区高温区域位置较EDC模型计算高温区域位置提前。(3)在单头部燃烧室稳态燃烧模拟的基础上,以燃烧室冷态流场和油雾场结果作为点火过程的初值,采用固定高温热源点火的方式进行单头部点火过程的非稳态计算,分析了单头部点火过程中火焰传播性能。同时,根据单头部燃烧室结构和流动特点,建立三头部数值计算模型,进行多头部点火联焰过程动态模拟,分析点火过程中多头部联焰性能。结果表明,该数值计算方法可以较好的反应出主燃烧室点火的动态过程。研究成果为燃烧室设计及工程应用提供理论依据和技术支持。
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