煤油点火及铝粉点火和燃烧特性的激波管研究

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1、煤油点火及铝粉点火和燃烧特性的激波管研究重庆大学博士学位论文学生姓名：梁金虎指导教师：张胜涛教授副导师：王苏研究员专业：化学工程与技术学科门类：工学重庆大学化学化工学院二O一四年九月万方数据万方数据StudyoftheIgnitionofKeroseneandtheIgnitionandCombustionofAluminuminShockTubeAThesisSubmittedtoChongqingUniversityInPartialFulfillmentoftheRequirementfortheD

2、octor’sDegreeofEngineeringByLiangJinhuSupervisedbyProf.ZhangShengtaoAssistantSupervisedbyProf.WangSuSpecialty:ChemicalengineeringandtechnologyCollegeofchemistryandchemicalengineeringChongqingUniversity,Chongqing,ChinaSeptember2014万方数据万方数据中文摘要摘要超燃冲压式发动机研究是

3、当前高超音速领域研究的热点问题之一。RP-3航空煤油是超燃冲压式发动机的首选燃料，其燃烧动力学机理研究是目前超燃研究中的重要问题。通过考察煤油在不同温度、压力和当量比条件下的点火特性，可以为验证煤油燃烧反应机理及机理简化提供基础数据依据，也可以为超燃冲压式发动机燃烧室的设计﹑优化等提供直接数据支撑。超燃冲压式发动机研究地面模拟实验中通过燃烧加热方式获得的高焓气体通常含有H2O和CO2等污染组分，污染组分可能造成地面实验与实际飞行中燃料点火特性不一致。为了正确评估这两种污染组分对燃料点火特性的影响，必须详细

4、考察H2O和CO2对RP-3航空煤油点火特性的影响效应。同时，在超燃发动机研究的地面实验中使用RP-3航空煤油做燃料时，期望通过在燃烧室内加入铝粉与碳氢燃料的燃烧产物H2O和CO2进行二次燃烧，以提高发动机的推力。通过对铝粉点火特性和燃烧特性进行研究，既可以为建立和验证铝粉点火及燃烧反应机理提供基础数据支撑，又可以为未来进行添加铝粉燃料超燃冲压式发动机燃烧室的设计﹑优化等提供重要基础数据。激波管是通过入射激波和反射激波对介质进行一维均匀绝热非等熵压缩的实验设备，它可以通过调节激波速度和实验区气体的初始压力

5、获得较大范围的温度和压力参数，因而成为进行燃料点火和燃烧特性研究的主要实验设备。本文采用实验和数值模拟相结合的方法，分别对RP-3航空煤油低压点火特性﹑空气污染组分H2O和CO2对煤油低压点火特性的污染效应﹑超细铝粉点火和燃烧特性开展了研究。论文主要研究内容及结论概括如下：（1）在激波管中进行了RP-3航空煤油点火特性实验研究，获得了低压条件下（0.05﹑0.1、0.2MPa）RP-3航空煤油点火延时与温度﹑压力﹑当量比及煤油和氧气浓度的依赖关系。通过与高压（0.55、1.1、2.2MPa）结果对比发现当

6、量比对煤油点火特性的影响存在一临界温度。在临界温度以上，煤油点火延时随当量比的增大而增长，临界温度以下，煤油点火延时随当量比增大而缩短，这一临界温度随点火压力的降低而升高。采用三种煤油燃烧模型对煤油点火过程进行了动力学模拟，结果显示Honnet等人提出的煤油反应机理在高压（2.2MPa）下与实验结果吻合得很好。化学动力学敏感度分析表明：对煤油点火起促进作用的基元反应大都是链传递或分支反应，其中H+O2=O+OH影响最为明显；对煤油点火起抑制作用的主要基元反应大都是消耗自由基的链终止反应，其中，起最大抑制作

7、用的反应为HO2+OH=H2O+O2。（2）在RP-3航空煤油点火延时测量基础上，考察了污染组分H2O和CO2对I万方数据重庆大学博士学位论文RP-3航空煤油低压点火特性的污染效应。结果表明：压力为0.1MPa时，H2O和CO2单独以及同时存在对煤油点火基本都没有影响；压力为0.05和0.2MPa时，H2O对煤油点火具有明显促进作用，CO2对煤油点火产生阻滞作用；当H2O和CO2同时存在且压力为0.05和0.2MPa时，污染组分15%H2O+10%CO2在较大温度范围内表现出对煤油点火的促进作用。数值模拟

8、与实验结果对比表明：模拟结果在评价污染物对煤油点火影响的趋势上与实验结果一致。化学动力学敏感度分析表明：H2O存在时，H2O+O2=HO2+OH对煤油点火具有较大促进作用；CO2存在时，正癸烷与氧气的氧化反应对煤油点火起主要促进作用。（3）进行了50nm﹑200nm和6μm铝粉分别在氧化剂O2﹑CO2及H2O中点火特性和燃烧特性的激波管实验研究，系统考察了温度﹑压力和各种氧化剂比例分别对三种粒径铝粉点火特性和燃烧特性的影响。结