高碳燃料增壓燃燒的詳細反應機理簡化建模及實驗驗證

《高碳燃料增壓燃燒的詳細反應機理簡化建模及實驗驗證》是依託中國科學院力學研究所，由魏小林擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：高碳燃料增壓燃燒的詳細反應機理簡化建模及實驗驗證
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：魏小林
• 依託單位：中國科學院力學研究所

項目摘要

空天飛行器的高超聲速發動機和組合發動機普遍存在點火困難和燃燒效率低、寬馬赫數運行性能與控制困難等問題，研究碳氫燃料（特別是煤油）增壓燃燒，對研製先進發動機具有重要的意義。本項目將建立高碳燃料（煤油）詳細化學反應的簡化機理模型，根據不同空間區域中的燃燒參數梯度分布，得到相應的簡化反應機理，最佳化煤油增壓燃燒的簡化機理模型，得到反應速率係數計算的高效算法；實現基於詳細反應機理簡化建模的煤油增壓燃燒CFD數值模擬計算，結合實驗驗證，得到高超聲速發動機以及組合發動機燃燒的模擬結果；基於碳煙生成詳細反應機理簡化建模的CFD軟體求解，獲得PAH以及Soot等燃燒主要組分的濃度分布特性；在此基礎上，採用新的離散坐標法求解輻射傳遞方程，獲得發動機的噴流輻射特性。研究結果為未來空天飛行器的先進發動機研製提供基礎數據與方法支撐。

結題摘要

空天飛行器的高超聲速發動機和組合發動機普遍存在點火困難和燃燒效率低、寬馬赫數運行性能與控制困難等問題，研究碳氫燃料（特別是煤油）增壓燃燒，對研製先進發動機具有重要的意義。2015年獲重大研究計畫培育項目的延續基金（一年期）資助以來，基本按照申請書的研究內容和計畫開展工作。主要研究了高碳燃料詳細反應機理的簡化建模和反應機理的高效算法，建立了簡化反應機理與CFD軟體耦合的方法，具體研究內容包括：煤油增壓燃燒的簡化機理模型及其最佳化、簡化機理與CFD軟體的耦合計算以及煤油燃燒碳煙生成與發動機噴流輻射特性等。 為了實現高碳燃料簡化建模，以正庚烷為例研究燃燒反應機理。使用主成分分析法（PCA）等進行敏感性分析，將正庚烷的高溫詳細機理簡化，獲得了相應的高溫骨幹機理，包括50組分和241個化學反應。將反應速率等採用熱化學制表查詢的方式，大約減少50%的計算量。將煤油的三組分替代燃料高溫骨幹機理耦合進CFD軟體，實現了骨幹機理與CFD程式耦合的高效計算，建立了基於詳細反應機理簡化建模的化學流體力學數值方法。針對H2O2/煤油發動機的燃燒與噴流輻射特性，採用基於詳細化學反應機理的燃燒數值模擬方法對直流與旋流噴注器進行了研究，計算的馬赫結位置與實驗結果基本吻合；採用逐線法計算出燃燒產物的光譜吸收係數，獲得主要輻射組分H2O和CO2吸收係數，採用離散坐標法求解輻射傳遞方程，得到發動機噴流的紅外輻射特性，驗證了發動機噴流紅外輻射特性計算方法的可行性。針對不同旋流強度下離心式噴注器的燃燒特性，得到了噴注器面板的溫度變化情況，對於小推力發動機的研發提供了參考數據。針對大推力發動機的紅外輻射特性，對於發動機的目標特性探測有參考價值。