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生物航煤燃烧低压模化数值模拟

何彦潼 邓甜 王伟

何彦潼,邓甜,王伟. 生物航煤燃烧低压模化数值模拟[J]. 北京航空航天大学学报,2026,52(3):885-894
引用本文: 何彦潼,邓甜,王伟. 生物航煤燃烧低压模化数值模拟[J]. 北京航空航天大学学报,2026,52(3):885-894
HE Y T,DENG T,WANG W. Numerical simulation of low-pressure modeling of bio-jet coal combustion[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2026,52(3):885-894 (in Chinese)
Citation: HE Y T,DENG T,WANG W. Numerical simulation of low-pressure modeling of bio-jet coal combustion[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2026,52(3):885-894 (in Chinese)

生物航煤燃烧低压模化数值模拟

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2023.0826
基金项目: 

天津市教委科研计划(2020KJ036)

详细信息
    通讯作者:

    E-mail:weiwangcauc@126.com

  • 中图分类号: V231.21

Numerical simulation of low-pressure modeling of bio-jet coal combustion

Funds: 

Scientific Research Project of Tianjin Municipal Education Commission (2020KJ036)

More Information
  • 摘要:

    全球能源需求增长和环境污染加剧背景下,生物航煤作为清洁、低碳、可持续燃料,引领未来燃料发展。航空发动机燃烧室的原型试验受到实际条件限制,低压模化试验可简化工况参数,有效解决实际问题并满足工程需求。为此,以生物航煤为燃料,采用3种模化准则,对燃烧室进行低压模化数值模拟研究,并与原设计状态对比。结果表明:等容积流率模化准则(Q准则)预测的流场分布与原设计状态最接近,且轴向和切向温度场分布优于等燃烧效率模化准则(K准则)和L准则。低压模化条件下,与原设计状态相比,燃烧效率降低2%~3%。特别是当压力指数过高时,L准则模化后的燃油流量过小,不适用于航空发动机的模化试验。出口截面温度分布系数的预测结果显示,K准则的预测值与原设计值相比,存在负偏差,Q准则预测结果的平均误差最小。综合来看,Q准则为最优模化准则,其计算结果可为航空发动机燃烧室的低压模化试验研究提供参考。

     

  • 图 1  燃烧室几何结构示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of combustion chamber geometry

    图 2  计算网格

    Figure 2.  Computational grid

    图 3  不同网格数下轴向速度对比

    Figure 3.  Comparison of axial velocity at different mesh numbers

    图 4  不同网格数下温度对比

    Figure 4.  Comparison of temperature at different mesh numbers

    图 5  $ x $=10 mm截面处轴向速度模拟结果对比

    Figure 5.  Comparison of the simulation results of axial velocity at $ x $=10 mm cross-section

    图 6  $ x $=50 mm截面处轴向速度模拟结果对比

    Figure 6.  Comparison of the simulation results of axial velocity at $ x $=50 mm cross-section

    图 7  中心轴线上温度模拟结果对比

    Figure 7.  Comparison of temperature simulation results on the central axis

    图 8  原设计状态和不同模化状态的流场结构

    Figure 8.  Flow field structure of original design state and different modeling states

    图 9  原设计状态和不同模化状态的温度场分布

    Figure 9.  Temperature field distribution of original design state and different modeling states

    图 10  原设计状态和不同模化状态轴向切面$ x $=30 mm处的温度场分布对比

    Figure 10.  Comparison of temperature field distribution at axial section $ x $=30 mm between original design state and different modeling states

    图 11  原设计状态和不同模化状态轴向切面$ x $=70 mm处的温度场分布对比

    Figure 11.  Comparison of temperature field distribution at axial section $ x $=70 mm between original design state and different modeling states

    图 12  原设计状态和不同模化状态出口截面温度分布对比

    Figure 12.  Comparison of temperature distribution of exit section between original design state and different modeling states

    图 13  燃烧室出口温度沿高度的变化

    Figure 13.  Combustion chamber outlet temperature change with height

    表  1  原设计状态和不同模化准则下燃烧室的进口参数

    Table  1.   Inlet parameters of the combustion chamber in the design state and under different modeling criteria

    状态 空气质量流量/
    (kg·s−1)
    空气
    温度/K
    空气
    压力/MPa
    燃油质量流量/
    10−3(kg·s−1)
    原设计状态 1.3 800 2.5 17.95
    Q准则 0.26 800 0.5 3.59
    K准则 0.204 800 0.5 2.82
    L准则 0.078 800 0.5 1.08
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    表  2  生物航煤的基本性质[22]

    Table  2.   Basic properties of bio-jet coal[22]

    密度/
    (kg·m−3)
    黏度/
    (mm2·s−1)
    表面张力
    (N·m−1)
    沸点/K 蒸发
    温度/K
    气化潜热/
    (kJ·kg−1)
    热值/
    (MJ·kg−1)
    808 2.11 0.0236 477.95 311 252.6 44.4
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    表  3  冷态条件计算模型

    Table  3.   Calculation model for cold conditions

    模型算法 射流参数 边界条件(进口)
    求解器 时间 湍流模型 近壁处理 进口类型 粒子类型 速度/(m·s−1) 温度/K 总压/kPa 总温/K 湍流强度/% 水利直径/mm
    隐式求解器 稳态 可实现k-ε模型 标准壁面函数 圆锥 液滴 30 300 110 300 5 34.56
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    表  4  热态条件计算模型

    Table  4.   Calculation model for hot conditions

    模型算法射流参数边界条件(进口)
    求解器燃烧模型湍流模型近壁处理进口类型粒子类型速度/(m·s−1)温度/K总压/MPa总温/K湍流强度/%水利直径/mm
    非稳态问题的
    隐式求解器
    非预混PDF
    燃烧模型
    可实现k-ε模型标准壁面函数圆锥液滴304002.5800534.56
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    表  5  原设计状态和不同模化准则下燃烧室的出口参数

    Table  5.   Outlet parameters of combustion chamber under original design state and different modeling criteria

    状态/准则 出口截面平均
    温度/K
    出口截面最高
    温度/K
    αRTDF βOTDF
    原设计状态 1289 1515 0.14 0.46
    Q准则 1279 1577 0.16 0.62
    K准则 1288 1456 0.10 0.34
    L准则 1257 1506 0.21 0.55
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    表  6  原设计状态和不同模化准则下的燃烧效率

    Table  6.   Combustion efficiency under original design state and different modeling criteria

    状态/准则 燃烧效率
    原设计状态 0.9768
    Q准则 0.9553
    K准则 0.9589
    L准则 0.9478
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-12-20
  • 录用日期:  2024-04-02
  • 网络出版日期:  2024-04-10
  • 整期出版日期:  2026-03-31

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