高碳燃料增压燃烧的详细反应机理简化建模及实验验证

Hypersonic jets and combined-cycle engines for aerospace vehicles have the common problems: ignition difficulty, low combustion efficiency, operation property and control difficulty under wide Mach number. Research on hydrocarbon fuel (especially the kerosene) under elevated pressure combustion situations is of great importance in developing advanced aerospace vehicle engines. In this project, a reduced model of detailed reaction mechanisms for hydrocarbon fuel (kerosene) will be built. Based on combustion parameter gradients among different region, the corresponding reduced reaction mechanisms will be obtained. And the reduced reaction model of kerosene combustion will be optimized under elevated pressures. The efficient arithmetic method of calculating reaction rate coefficient is proposed. Combined with the reduced model of detailed reaction mechanisms, CFD numerical simulation of kerosene will be finished in elevated pressure combustion, which will be used to simulate the combustion processes of hypersonic jets and combined-cycle engines. The calculating results will be validated by experimental data. CFD software combined the reduced reaction model of detailed reaction mechanism of soot formation will result in concentration features of major components of combustion, as PAH and Soot. With these results, a new kind of discrete ordinate method for radiative transfer equation will be built, to get thermal radiation features of engine plume. The results of this project will provide basic data and methods in developing advanced engines for future aerospace vehicles.

空天飞行器的高超声速发动机和组合发动机普遍存在点火困难和燃烧效率低、宽马赫数运行性能与控制困难等问题，研究碳氢燃料（特别是煤油）增压燃烧，对研制先进发动机具有重要的意义。本项目将建立高碳燃料（煤油）详细化学反应的简化机理模型，根据不同空间区域中的燃烧参数梯度分布，得到相应的简化反应机理，优化煤油增压燃烧的简化机理模型，得到反应速率系数计算的高效算法；实现基于详细反应机理简化建模的煤油增压燃烧CFD数值模拟计算，结合实验验证，得到高超声速发动机以及组合发动机燃烧的模拟结果；基于碳烟生成详细反应机理简化建模的CFD软件求解，获得PAH以及Soot等燃烧主要组分的浓度分布特性；在此基础上，采用新的离散坐标法求解辐射传递方程，获得发动机的喷流辐射特性。研究结果为未来空天飞行器的先进发动机研制提供基础数据与方法支撑。

空天飞行器的高超声速发动机和组合发动机普遍存在点火困难和燃烧效率低、宽马赫数运行性能与控制困难等问题，研究碳氢燃料（特别是煤油）增压燃烧，对研制先进发动机具有重要的意义。2015年获重大研究计划培育项目的延续基金（一年期）资助以来，基本按照申请书的研究内容和计划开展工作。主要研究了高碳燃料详细反应机理的简化建模和反应机理的高效算法，建立了简化反应机理与CFD软件耦合的方法，具体研究内容包括：煤油增压燃烧的简化机理模型及其优化、简化机理与CFD软件的耦合计算以及煤油燃烧碳烟生成与发动机喷流辐射特性等。.为了实现高碳燃料简化建模，以正庚烷为例研究燃烧反应机理。使用主成分分析法（PCA）等进行敏感性分析，将正庚烷的高温详细机理简化，获得了相应的高温骨干机理，包括50组分和241个化学反应。将反应速率等采用热化学制表查询的方式，大约减少50%的计算量。将煤油的三组分替代燃料高温骨干机理耦合进CFD软件，实现了骨干机理与CFD程序耦合的高效计算，建立了基于详细反应机理简化建模的化学流体力学数值方法。针对H2O2/煤油发动机的燃烧与喷流辐射特性，采用基于详细化学反应机理的燃烧数值模拟方法对直流与旋流喷注器进行了研究，计算的马赫结位置与实验结果基本吻合；采用逐线法计算出燃烧产物的光谱吸收系数，获得主要辐射组分H2O和CO2吸收系数，采用离散坐标法求解辐射传递方程，得到发动机喷流的红外辐射特性，验证了发动机喷流红外辐射特性计算方法的可行性。针对不同旋流强度下离心式喷注器的燃烧特性，得到了喷注器面板的温度变化情况，对于小推力发动机的研发提供了参考数据。针对大推力发动机的红外辐射特性，对于发动机的目标特性探测有参考价值。