RP-3航空煤油的超临界喷射、蒸发和爆震燃烧特性研究

【摘要】：随着高超声速飞行器的发展,未来高性能动力装置的工作参数和冷却需求越来越高,其燃烧室环境和喷射燃油的温度和压力有望分别超过燃油的临界值,从而涉及超临界工况。当发动机的燃烧室环境达到超临界时,燃油的雾化、蒸发和燃烧规律会发生一定的改变,而当液态燃油达到超临界态时,它会变成一种具有接近液态燃料热值的高密度类气态物质,使得喷射和燃烧过程与常规工况迥然不同。另外,超临界态燃油的燃烧过程相当于跨越了常规燃烧时的雾化和蒸发过程而直接燃烧,恰好可以满足高性能发动机对急速雾化和燃烧的需求。因此,以未来高性能发动机中超临界燃烧室的研制为背景,开展常用液态碳氢燃料的超临界研究具有重要的意义。本文主要围绕RP-3航空煤油的超临界喷射、蒸发和燃烧特性开展了相关的实验和数值研究。1)通过实验分别对RP-3航空煤油的组分构成、密度、泡点、露点和临界点等物性参数进行了测量,获得了大量的物性数据,并基于PR状态方程发展了RP-3航空煤油的密度计算方法,根据Clausius-Clapeyron方程拟合实验数据得到了泡点和露点的经验公式。此外,还通过实验测量了超临界RP-3航空煤油的壅塞流量,分析了超临界流量随温度和压力的变化规律。2)在超临界环境中采用石英纤维悬垂液滴的方式,研究了单个RP-3航空煤油液滴在超临界环境中的蒸发特性,对比分析了其与常规亚临界蒸发过程的差异,得到了环境参数和液滴初温对液滴无量纲直径的平方、瞬态蒸发常数、蒸发寿命、最大初始膨胀率和液滴边界迁移等特性的影响,通过分析认为,液滴边界的超临界迁移是造成其超临界蒸发过程偏离D2定律的主要原因。3)实验研究了超临界RP-3航空煤油与氮气同轴喷射和掺混的近场射流结构、射流冷凝规律和温度场分布特性,系统分析了超临界掺混射流受主流参数、掺混气流参数和掺混结构的影响。通过研究得到了喷嘴结构和喷射参数对加速或减缓超临界掺混射流冷凝的基本规律,掌握了喷射压比、喷射流量、掺混结构、临界相变和工质冷凝等因素对改变超临界同轴掺混射流近场激波结构的主要作用机理。4)通过数值模拟的方法对超临界燃油喷射到静止超临界氮气环境中的射流特征进行了研究,主要关注环境参数和喷射参数对超临界射流长度和射流扩张角的影响。研究发现,超临界射流形态受到喷射速度、黏性、密度比和动量比等多方面因素的综合影响,但其对喷射参数的敏感性远高于环境参数,其受喷射动量比的影响幅度远高于受喷射密度比的影响。5)开展了以超临界RP-3航空煤油作为PDRE燃料的发动机台架试验,分析了超临界燃料燃烧对发动机工作性能的提升作用。研究发现,保持3.0 MPa燃油供给压力不变时,采用超临界燃油作为燃料时的发动机比冲大幅提高,其中混合物比冲的增幅约为15.14%,燃料比冲的增幅高达169.67%,DDT距离显著缩短约52.6%。当保持燃油供给流量为1.524 g/s不变时,采用超临界燃油的发动机比冲较之采用常温燃油时平均提高了一倍以上。

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