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《哈尔滨工程大学》 2004年
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发动机点火器燃烧流场的数值模拟

赵仕厂  
【摘要】:燃气轮机具有效率高、体积小、重量轻、维护简单、机动性好、运行可靠、自动化程度高、造价低等优点,因而广泛应用在航空工业、陆用发电、天然气输送、石油、铁路和造船工业中。燃气轮机启动或在高空熄火后重新启动时,实现燃烧室的可靠点火至关重要,点火性能直接影响发动机工作的安全可靠。 等离子点火器是发动机的设备系统中一种新型的点火设备,它首先使少量的启动燃料点着形成点火火炬,然后依靠它,再去点燃整个燃烧室的主燃料炬。等离子点火技术是一门新兴技术,该项技术主要点火设备具有独特的放电特性和较大的放电能量,并且能量集中,使发动机的点火可靠性和点火的浓度极限得到了极大的提高。等离子点火器中注入的燃料与空气等离子流发生传热、传质并发生复杂的剧烈的一系列物理化学燃烧过程,由于对某些燃料的燃烧过程机理至今尚不完全清楚,并且描述这一现象数学模型的控制微分方程很复杂,所以很难用解析方法求得等离子点火器燃烧流场的精确分布,这样就极大的限制了人们应用燃烧理论指导这一燃烧设备的设计研究。 随着计算流体力学和燃烧理论的发展,数值模拟等离子点火器内部燃烧流动、传热、传质、化学反应等复杂过程已成为可能。应用数值模拟的方法可以对实验难以测量的参数进行预估,而不需要大量的实验,应用数值模拟的方法来解决等离子点火器燃烧性能的分析和工程设计,有利于提高工作的可靠性和经济性。因此数值模拟方法是研究等离子点火器内部过程机制的一个重要手段。 本文针对燃烧室点火器稳态三维湍流反应流的数值模拟进行了研究。建立了等离子点火器稳态三维湍流反应流的数学物理模型。模拟等离子点火器内部燃烧的RNGκ-ε双方程湍流流动模型;模拟气体燃料在燃烧时中化学反应的简单化学反应系统模型;模拟等离子点火器内部湍流扩散燃烧的模型;模拟等离子点火器高温燃气及其壁面的DTRM辐射换热的模型等等,对模型进行一定的合理的简化,然后对等离子点火器内部湍流扩散燃烧流场进行了数值模拟。在数值模拟过程中,对等离子点火器的计算区域的空间离散化引 哈尔滨工程大学硕士学位论文 入贴体坐标系统;对于控制方程采用混合格式的差分格式进行离散;壁面处 理采用壁面函数法;采用S工MPLEC算法来解决压力速度藕合问题;用多重网 格法来求解离散方程。 ‘对等离子点火器进行了数值模拟,得到了各流场参数同平均混合分数, 混合分数脉动均方值的关系图,等离子点火器内部温度、压力、速度、流线、 密度、湍流平均脉动动能、湍流动能耗散率、湍流粘性系数、各种燃烧产物 体积分数等一系列湍流燃烧流场的特性参数分布,并对这些参数分布进行了 解释。还给出了不同工况下的等离子点火器流场参数的分布,并作了比较, 对于实际的结构设计、改进将具有重要指导意义。 关键词:等离子点火器:扩散燃烧;湍流模型;数值模拟;辐射模型
【学位授予单位】:哈尔滨工程大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TK471

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