航空发动机喷嘴多物理场/多相耦合反应下静电场对积碳抑制的作用机理研究
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1.考虑不确定性的碳氢燃料反应动力学机理简化方法研究
- 关键词：
- 碳氢燃料;全局敏感性分析;化学反应动力学;不确定性分析;机理简化;简化机理分析
- 林圣强
- 指导老师：哈尔滨工业大学 谢鸣
- 0年
- 学位论文
燃烧数值计算在发动机设计中扮演着重要作用,燃烧动力学机理能在很大程度上决定该数值计算过程能否准确掌控燃料的释热规律、流场的精细结构以及污染物的反应路径。但目前数值求解由大型燃烧机理组成的动力学系统仍然是个挑战。此外,基元反应速率系数的不确定性也会给燃烧数值计算带来更多挑战,即该不确定性会对燃料演化过程中的关键路径及活跃基元反应产生巨大影响。因此开发带有速率系数不确定性的简化方法（即全局简化方法）能有效提高燃烧数值计算在实际中的应用并发挥其指导功能。针对传统简化方法会受速率系数不确定性影响的问题,本文开展了该不确定性在获取简化机理最小尺寸方面对各简化方法影响的研究。研究结果表明,基元反应速率系数不确定性的存在确实会严重影响图解法和敏感性方法所得的简化机理尺寸,比如在简化正癸烷燃烧动力学机理时,图解法得到的各简化机理尺寸最大相差近40个组分;在简化正庚烷燃烧动力学机理时,局部敏感性方法得到的各简化机理尺寸最大相差15个组分。考虑速率系数不确定性下大分子碳氢燃料反应动力学机理简化的计算量,本文提出了联合传统简化方法和全局简化方法的方式简化大分子燃料动力学机理;针对目前传统简化手段不能很有效获取精简简化机理的现状,本文提出了权重法及改进型图解法。小组分、大组分及多组分的碳氢燃料动力学机理简化表明,相比传统简化方法,权重法及改进型图解法能获取更精简的简化机理。在宽初始条件下的乙烯动力学机理简化中,权重法可得到仅包含35组分的乙烯简化机理、38组分的正庚烷简化机理及145组分的包含低温效应的三组分航煤简化机理。针对简化带有速率系数不确定性的碳氢燃烧动力学机理,本文开发了全局组分敏感性方法。研究结果表明,此方法可精准得到速率系数不确定性下各组分的重要次序,并可得到非常紧凑的全局性简化动力学机理。在宽范围下的乙烯动力学简化中可得到仅31个组分的全局性简化机理,在正庚烷燃烧动力学简化中可得到仅37组分的全局性简化动力学机理,而且该全局性简化机理不仅能给出动力学机理宏观燃烧特性的误差范围,还能在标准速率参数下准确预测宏观参数。此外,在宽范围下简化含低温效应的三组分航煤动力学机理时,权重法配合全局组分敏感性方法可得到仅包含124组分的全局性简化机理。针对简化机理动力学特性分析的问题,本文提出了基于敏感性系数的相似性方法,分析简化机理较原机理动力学特性的偏差程度。研究结果表明,传统评判简化机理的准则可能导致简化机理的动力学特性出现偏置,使简化机理呈现不完全或缺失比较严重的动力学特性,严重影响简化机理在数值计算中的适用性和表征程度。因此,本文提出了基于相似性的方法分析简化机理,并选择了符合实际应用的可靠性简化机理。
...2.静电场对正戊烷氧化结焦影响及模型研究
- 关键词：
- 静电场;正戊烷;氧化结焦;结焦前驱体
- 金丹
- 指导老师：哈尔滨工业大学 周伟星
- 0年
- 学位论文
航空发动机作为民用及军用飞机“心脏”的动力装置,决定着我国航空事业的发展。然而航空发动机燃烧室易结焦积碳而影响发动机的安全运行和使用寿命。如何在不改变燃料燃烧性能条件下,低成本有效抑制或消除积碳,成为航空发动机技术瓶颈之一。目前已有理论和实验证实静电场会对流体流动及化学反应产生影响,因此,探索静电场对碳氢燃料氧化结焦的影响,发展静电场抑制结焦技术,有望为抑制碳氢燃料氧化结焦提供新方法。本文针对气态碳氢燃料在强电场作用下因受电场力作用而影响其流动与化学反应这一现象,以正戊烷氧化结焦为研究对象,通过数值模拟和实验相结合的方式,探究静电场对正戊烷氧化结焦的影响,并分析静电场对正戊烷流动及化学反应的作用机制,主要研究工作如下:首先,对正戊烷详细低温氧化结焦动力学模型进行对比分析,确定本文的化学反应模型。基于此模型,对正戊烷消耗的生成速率分析,得到正戊烷的氧化反应路径,确定正戊烷消耗的三条反应通道。通过对苯生成的生成速率及敏感性分析,确定动力学模型中的焦体代表组分,为研究静电场作用下正戊烷氧化结焦特性提供模型基础。其次,建立了描述碳氢燃料流动与化学反应耦合的数学模型,其中NavierStokes方程、泊松方程及电流连续方程描述碳氢燃料的流动特性;包含826种、4618步反应的正戊烷低温氧化结焦详细动力学模型描述燃料化学反应过程。并从正戊烷氧化结焦的计算方法及静电场的添加方式两方面对模拟方法进行验证,证明此数学模型具有良好的模拟精度。再次,利用静电场作用下的正戊烷氧化结焦模型对比研究了有/无化学反应情况下,电场强度、质量流量、温度及电场作用区域长度对正戊烷氧化结焦/纯流动的影响,分析了正戊烷在电场中的氧化结焦特性。结果表明,电场越强,对流体扰动越剧烈,甲醛（结焦前驱体主要代表组分）生成/消耗过程所放出/吸收的热量越少,甲醛生成/消耗量越少;质量流量越小,流线变形越大,反应越充分;温度越低,流动状态受电场影响越大,甲醛生成/消耗反应越不充分;电场作用区域越短,流场受电场影响越小,反应越充分,甲醛的消耗量越多。最后,设计了静电场作用下正戊烷氧化结焦实验系统,对正戊烷氧化结焦特性进行实验探究。得到不同电场强度时,正戊烷氧化结焦产物的分布情况,分析电场强度对正戊烷氧化结焦的影响规律,为后续研究奠定基础。
...3.静电场作用下无定形碳颗粒荷电及运动规律的研究
- 关键词：
- 静电场;无定形碳颗粒;荷电特性
- 杨博文
- 指导老师：哈尔滨工业大学 周伟星
- 0年
- 学位论文
广泛存在于内燃机领域的积碳问题同样是困扰航空发动机的“心病”,在一些特殊的运行工况下,发动机燃烧室内不可避免地会出现富油区,这其中由于碳氢燃料不完全燃烧所产生的碳烟颗粒是造成积碳问题的主要原因。现有的除焦手段都或多或少地对发动机的稳定运行产生不利影响,无法从根本上解决积碳问题,因此探索出一种既不影响发动机工作性能,又能对积碳实施在线清除的方法就显得非常重要。静电场不仅能够对带电物体产生力的作用,还可以通过场致荷电的方式使原本呈电中性的物体带上一定量的电荷。正因如此,通过在发动机喷嘴附近引入静电场的方式使碳烟颗粒定向地原理喷嘴等关键部位在理论上具有一定的可行性。静电除焦技术也有望成为最有效的除焦手段,具有很大的应用前景和研究价值。然而目前对于利用静电场清除积碳的研究仍处于起步阶段,为此本课题将从以下几方面对该领域进行初期探索。本文首先选取碳烟中的主要成分无定形碳颗粒作为实验材料,搭建颗粒物荷电特性实验系统,对无定形碳颗粒的荷电特性进行实验研究,分析电场参数以及流场参数对于碳颗粒荷电的影响,其中电场参数包括运行电压和电场不均匀度,流场参数包括温度和颗粒浓度,此外对不同工况下电晕电场的放电特性进行分析,从放电的角度分析各环境参数对颗粒荷电的影响规律,给出合理的解释。其次,在颗粒荷电实验系统的基础上进行改造,建立荷电颗粒输运可视化实验系统,借助PIV系统对荷电与非荷电颗粒群在输运过程中的运动特性进行研究。在保证载气流速、颗粒浓度以及温度一定的情况下,通过调整荷电装置的运行电压来改变颗粒群的平均荷电量,对不同荷电情况下的颗粒群的运动情况进行分析。最后,选取合适的电场控制方程以及颗粒荷电数学模型,对无定形碳颗粒在电场中的荷电过程进行模拟,基于先前的实验结果对连续相、离散相的介电性质进行修正,分析不同运行电压、载气流速、粒径条件下无定形碳颗粒在电场中的荷电量随位置的变化过程。
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