航空发动机二维模型燃烧室中碳黑颗粒生成数值模拟

论文摘要

碳黑颗粒是燃料燃烧时不可避免的产物,它是一种由各种大分子物质团聚而成的大气颗粒污染物。碳黑颗粒的排放会给人体健康带来很大的危害,会引起一系列的大气环境效应。航空发动机燃烧室内部燃烧时也会产生碳黑颗粒,而且碳黑颗粒在燃烧室内部的辐射,会影响燃烧数值模拟的精确度,特别是对火焰温度和壁面温度的影响较明显。为了了解碳黑颗粒在航空发动机燃烧室内部的分布情况,本文从碳黑颗粒生成详细机理和详细模型出发,首先使用基于正庚烷的详细化学反应机理对燃烧流场进行数值模拟,得到影响碳黑颗粒生成的主要组分的浓度分布,并考虑了不同余气系数对组分生成情况的影响;然后使用碳黑颗粒生成详细模型对航空发动机中碳黑颗粒生成情况进行数值模拟,得到同一时间不同截面上碳黑颗粒尺寸分布情况。本文采用k ?ε双方程模型来预估湍流特性,EDC湍流燃烧模型来估算化学反应速率,四通量辐射模型来预估辐射通量,采用PSR模块来处理复杂化学反应项,采用矩模型来处理碳黑颗粒尺寸分布情况。用CHEMKIN软件的机理编译器生成机理连接文件供FORTRAN计算程序调用,计算过程中调用了CHEMKIN软件的API函数来处理复杂化学反应的相关项。在交错网格系统下采用控制容积法来离散控制方程,并用SIMPLE算法对离散方程进行求解。采用任意曲线坐标系统下的壁面函数来处理燃烧室壁面附近区域的流动。本文计算了4种不同余气系数下不同截面上碳黑颗粒尺寸分布情况,同时考虑了不同工况对碳黑颗粒尺寸分布的影响。本文将数值模拟结果同射流火焰碳黑颗粒分布情况进行了类比,分析了体系中组分浓度对碳黑颗粒生成和氧化过程的影响。结果比较满意,选用的模型能符合实际物理过程,从一定程度上反映了该计算程序的可靠性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究概况
• 1.3 本文的研究内容及方法
• 第二章 碳黑颗粒的生成机理及其危害
• 2.1 碳黑颗粒的结构
• 2.2 碳黑颗粒的生成机理
• 2.3 碳黑颗粒对人体的危害
• 2.4 碳黑颗粒的环境效应
• 2.5 本章小结
• 第三章 湍流燃烧和碳黑颗粒生成的数学模型及方程的离散
• 3.1 研究对象
• 3.2 控制方程
• 3.2.1 圆柱坐标系下控制方程通用形式
• 3.2.2 贴体坐标系下控制方程通用形式
• 3.3 湍流模型
• 3.4 燃烧模型
• 3.4.1 涡破碎模型
• 3.4.2 涡团耗散模型
• 3.4.3 涡团耗散概念模型
• 3.4.4 湍流燃烧的简化PDF 模型
• 3.5 辐射模型
• 3.5.1 区域法
• 3.5.2 蒙特卡洛法
• 3.5.3 热通量法
• 3.6 碳黑颗粒生成模型
• 3.6.1 经验模型
• 3.6.2 半经验模型
• 3.6.3 详细模型
• 3.7 边值条件的给定与处理
• 3.7.1 进口条件
• 3.7.2 固体壁面条件
• 3.7.3 出口条件
• 3.8 二维贴体坐标系下控制方程的离散
• 3.9 计算程序框架图
• 3.10 本章小结
• 第四章 计算结果与分析
• 4.1 速度场分析
• 4.2 温度场分析
• 4.3 组分场分析
• 4.4 碳黑颗粒体积分数分布分析
• 4.4.1 同一工况不同截面上碳黑颗粒体积分数分布比较
• 4.4.2 同一截面不同工况下碳黑颗粒体积分数分布比较
• 4.5 碳黑颗粒当量直径分布分析
• 4.5.1 同一工况不同截面上碳黑颗粒当量直径分布比较
• 4.5.2 同一截面不同工况下碳黑颗粒当量直径分布比较
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 本文的主要工作
• 5.2 进一步工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果与发表的论文