基于煤粉--空气的气固两相旋转爆轰发动机的数值模拟
理论上旋转爆轰发动机比爆燃发动机具有更高的热循环效率，因此被广泛研究。使用煤和碳等固体燃料，能够在降低燃料成本同时提高发动机的推进性能。由于实验的局限性，气固两相旋转爆轰发动机内的颗粒分布和流场结构等在很大程度都是未知的。因此本文对常温条件下煤粉/氢气/空气以及碳/空气的旋转爆轰发动机进行了数值模拟研究。气相反应采用有限反应速率模型，颗粒喷注采用离散相模型，颗粒的燃烧反应采用动力学/扩散限制速率模型或多表面反应模型，湍流模型采用SSTk-ω模型。根据研究结果，主要得到以下结论: (1)分析了氢气质量流量和颗粒直径对煤粉/氢气/空气旋转爆轰发动机的影响。结果表明:爆轰波的传播主要依靠氢空气燃烧释放的热量。当氢气质量流量为1.5kg/s时，由于空气和氢气的不均匀混合导致接触面发生不稳定现象。随着颗粒直径增大，爆轰波的强度先增大后保持不变。 (2)研究了碳/空气两相旋转爆轰波的流场结构和传播特性。结果表明:由于入口附近空气的喷注速度大于颗粒喷注速度，颗粒层与空气层不能完全重合，导致爆轰波前局部当量比大于全局当量比。高出颗粒层的空气会穿过斜激波往下游运动，形成一条低温条带。根据燃烧室内气固两相的分布情况，爆轰波稳定传播时内流场可分为填充区、爆轰产物区和爆燃产物区三个区域。随着空气流量的增大，爆轰波速度先增大后减小。空气流量为49.03kg/s时，爆轰波速度最大，并且发生模态转换。在高当量比下，高温产物与反应物发生爆燃，形成新的爆轰波。 (3)对比了环形燃烧室和空心燃烧室的流场结构、爆轰波参数以及推进性能。结果表明:空心燃烧室内未完全燃烧颗粒数量增加，接触面发生褶皱且波后无低温条带。环形燃烧室通过爆轰波与燃烧室壁面的碰撞来形成新的爆轰波，空心燃烧室则通过燃烧室下游激波对撞产生的高压区来形成新的爆轰波。相比于环形燃烧室，空心燃烧室内爆轰波的压力偏低，相同工况下发动机的推力下降且更加不稳定。
旋转爆轰发动机;气固两相流;煤粉-空气;数值模拟;模态转换
北京化工大学
硕士
机械
王宇辉;梁衍伟
2023
中文
U464
2023-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）