H2OCO2组分对氢和乙烯超声速燃烧室性能影响数值模拟.pdfVIP

2012年4月 西北工业大‘学学报 Apr． 2012 JournalofNorthwestern VoL30No．2 第30卷第2期 PolyteehnicalUniversity H20／C02组分对氢和乙烯超声速 燃烧室性能影响数值模拟 张志强，宋文艳，罗飞腾 (西北工业大学动力与能源学院，陕西西安710072) 摘 要：文章采用数值计算方法，评估了H：0与CO：两种污染组分对氢、乙烯超声速燃烧室性能的影 响。针对纯净空气和含H：O／CO：污染空气，在来流总温、总压、马赫数、氧气摩尔含量、燃料当量油气 比相当的条件下对氢、乙烯超声速燃烧室分另悯!t行了三维、二维燃烧流场数值模拟，其中氢气当量比 量为7．5％。最后，将数值计算结果与相应实验测量值进行了对比分析。研究结果表明：数值计算结 果与实验测量值比较接近，反映的H：O、CO：污染组分影响趋势一致的，计算结果可以有效分辨出污 染组分对燃烧室性能的影响；H：O、CO：污染组分的存在降低了燃烧总温升、燃烧效率，进而降低了燃 烧室壁面压力，总体上造成燃烧室性能的下降。 关键词：超声速燃烧，燃烧室，CFD，污染效应，效率，乙烯燃料，氢燃料，数值模拟，污染 中图分类号：V211．74 文献标识码：A 在吸气式高超声速地面推进试验中，目前国内 等通过实验和数值方法研究了氢气在含有H：O的 主要采用燃烧加热方式来获得高焓试验气体，这势 实验气体中的超声速燃烧。本文针对氢、乙烯燃料 必在试验气体中引入真实大气中没有或含量很少的 超声速燃烧室开展了模拟飞行马赫数4状态下，不 组分即“污染组分”(如H20，C02H，0，OH，NO，同H：O、CO：污染水平来流下的燃烧化学反应流场 C。H，等)。这些污染组分的存在对发动机工作过程 数值模拟，通过计算结果和试验结果的对比分析，初 中会产生一定的物理、化学影响，使得发动机地面试 步研究了H：0和CO，污染组分及其组合对氢、乙烯 验性能与真实条件下存在差异，因此如何评估地面 燃料超声速燃烧室性能的影响，为地面实验气体 试验气体污染对超燃冲压发动机性能的影响，已成 “污染效应”评估、发动机天地性能对比提供参考。 为目前亟需解决的关键问题之一。 在国外，超燃冲压发动机的研究紧密结合了 1计算模型、方法与计算状态 CFD技术，充分发挥了数值计算在试验预处理、流 J采 场诊断分析中的作用。Srinivasan和Erickson¨,2 1．1计算模型与丽格 用GAsP软件，数值模拟了摩尔含量16％H，O+8％ 图1给出了本文计算的超声速燃烧室模型，In． CO：的污染空气和纯净空气来流下氢燃料等直燃烧 室的三维反应流场。Mattick和Frankel口1采用商业 本文针对该模型，对氢、乙烯超声速燃烧室分别进行 Fluent软件，数值模拟了二维Burrows-Kurkovr氢燃 了三维、二维燃烧流场数值模拟，计算网格为结构化 料燃烧室反应流场，定性研究H：0污染空气来流中 网格，网格在壁面、燃料喷孔、突扩台阶、凹槽处进行 继续添加微量H、0和OH自由基对氢燃料点火距 局部加密。为了便于划分三维模型网格，将圆形燃 离和燃烧效率的影响。Shiva