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

One of the key problems in aircraft engine operation is that high temperature nozzle in temperature field, velocity field, concentration field and other multi-physical field conditions is prone to carbon deposition. Multiphase reactions of gas, liquid and solid near nozzle are controlled by continuously adjustable electrostatic field is put forward in this project. On one hand, various components are difficult to polymerize using the principle of same charge rejecting each other, which change coking precursors or reaction path for large particle formation. On the other hand, charged particles of gas, liquid and solid in the electric field are difficult to reach the nozzle wall, which effectively suppress and eliminate the carbon deposition on nozzle wall. This project is closely integrated with the core science issues in the major research program on “Basic Research on Engine Turbulent Combustion”. Based on experiment and numerical simulation, the complex flow field is analyzed. Then, the influence of electrostatic field on liquid deposition, vapor deposition and multiphase coupling reactions of gas, liquid and solid inside and outside of the nozzle surface is studied in different conditions. At last, multiphase reaction mechanism of electrostatic field is obtained. It is of great theoretical significance and practical value to use continuously adjustable electrostatic field to solve the problem of carbon deposition in aircraft engine under complex conditions. It belongs to Key (Key grant) Project in Major Research Plan.

航空发动机高温喷嘴在温度场、速度场及浓度场等多物理场条件下易积碳而成为航空发动机安全运行难以解决的关键瓶颈问题之一。本项目提出了采用连续可调的静电场来对喷嘴附近气/液/固多相反应动力学进行有效控制，一方面利用同电荷相斥原理使得各种组分难以聚合而改变结焦前驱体或大颗粒形成的反应路径，另一方面各种带电粒子在电场作用下远离喷嘴壁面，从而有效抑制与消除喷嘴积碳。本项目紧密结合“面向发动机的湍流燃烧基础研究”重大研究计划中的核心基础科学问题，通过实验与数值模拟相结合，开展了复杂流场的分析，并针对不同工况开展了静电场对喷嘴内外表面的液相沉积、气相沉积及气/液/固多相耦合反应的影响机制研究，得到静电场作用下的多相反应机理。开创性地利用连续可调电场的交叉学科优势来解决复杂工况下航空发动机碳沉积问题，具有十分重要的理论意义和应用价值，属于重大研究计划指南中重点资助研究方向。

针对航空发动机燃烧室高温喷嘴多物理场下多相耦合反应导致喷嘴表面易积碳问题，提出了利用静电场同电荷相斥来改变多相反应碳沉积路径，从而对喷嘴积碳进行抑制的方法。通过数值模拟与实验相结合的方式，研究了航空煤油氧化结焦控制因素分析与流动传热耦合，航空煤油高温裂解、燃烧反应机理发展及简化等基础科学与工程问题；利用数值模拟、分子动力学及量子化学方法对焦体与碳烟颗粒的生成及运动，静电场作用下航空煤油裂解机制、结焦抑制机理、碳烟生成机理以及静电场作用下燃油流动传热特性等展开研究，提出理论可行的静电场作用下航空发动机结焦抑制方案。进一步针对真实航空发动机工程喷嘴的结焦与喷射特性进行工程实验研究，结合数值计算结果，验证了静电场作用下航空发动机结焦抑制方案的可行性。.提出了高燃油裂解率和抑制结焦的航空煤油催化裂解方案；确定了航空燃油氧化结焦过程中的控制因素；获得了完整的航空煤油微观演变及焦体颗粒的运动变化规律。进一步得到了静电场对提高燃油裂解速率的微观机制及对碳烟形成的影响规律；获得了表面静电场强度对燃油表面的积碳的分布规律。工程应用上得到了航空发动机工程喷嘴在实际工作受热环境下，污染程度、喷射性能和结焦规律。开创性地利用连续可调电场的交叉学科优势来解决复杂工况下航空发动机碳沉积问题，具有十分重要的理论意义和应用价值，并可推广到火箭发动机及内燃机等所有碳氢组分作为主要燃料的工程应用领域，为其积碳问题消除提供技术指导。