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考虑OTDF和氮氧化物排放特性的航空发动机部件级模型

胡晨旭 潘阳 郑前钢 张海波 李建中 汪勇

胡晨旭, 潘阳, 郑前钢, 等. 考虑OTDF和氮氧化物排放特性的航空发动机部件级模型[J]. 航空动力学报, 2023, 38(11):2766-2775 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20220005
引用本文: 胡晨旭, 潘阳, 郑前钢, 等. 考虑OTDF和氮氧化物排放特性的航空发动机部件级模型[J]. 航空动力学报, 2023, 38(11):2766-2775 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20220005
HU Chenxu, PAN Yang, ZHENG Qiangang, et al. Aero-engine component level model considering OTDF and NOx emission characteristics[J]. Journal of Aerospace Power, 2023, 38(11):2766-2775 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20220005
Citation: HU Chenxu, PAN Yang, ZHENG Qiangang, et al. Aero-engine component level model considering OTDF and NOx emission characteristics[J]. Journal of Aerospace Power, 2023, 38(11):2766-2775 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20220005

考虑OTDF和氮氧化物排放特性的航空发动机部件级模型

doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20220005
基金项目: 国家自然科学基金(51906102,52176009); 国家科技重大专项(J2019-Ⅱ-0009-0053,J2019-Ⅰ-0020-0019,2019-Ⅲ-0014-0058);先进航空动力创新工作站项目(HKCX2022-01-026-03,HKCX2022-01-026-03,HKCX2020-02-027);南京航空航天大学前瞻布局科研专项资金(ILA220341A22,ILA220371A22); 江苏省卓博计划(2022ZB202);研究生科研与实践创新计划(XCXJH20210216); 中国博士后科学基金(2021M701692)
详细信息
    作者简介:

    胡晨旭(1998-),男,硕士生,研究领域为航空发动机建模及控制。E-mail:hcx_nuaa@163.com

    通讯作者:

    郑前钢(1990-),男,副研究员,博士,研究领域为航空发动机控制。E-mail:zhqg@nuaa.edu.cn

  • 中图分类号: V231

Aero-engine component level model considering OTDF and NOx emission characteristics

  • 摘要:

    建立了一种考虑出口温度分布系数(OTDF)和氮氧化物(NOx)排放特性的航空发动机部件级模型,为发动机燃烧室出口温度分布和排放控制研究提供了仿真平台。以某变循环发动机为研究对象,依据其设计点参数设计燃烧室三维模型,基于CFD数值仿真方法,得到该燃烧室三维模型在海平面不同工作状态下的OTDF特性、氮氧化物排放特性。基于此,建立了适用于全包线、全状态下,可计算燃烧室特性参数的变循环发动机部件级模型。与传统部件级模型相比,该模型能准确地计算发动机在不同工作状态、不同包线点下的燃烧室出口温度分布、氮氧化物排放。仿真结果表明:燃烧室出口温度分布系数与发动机工作状态呈负相关关系,发动机转速越大,OTDF越小,燃烧室出口温度分布品质越好;燃烧室出口氮氧化物排放量与发动机工作状态呈正相关关系,发动机转速越大,燃烧室出口氮氧化物排放量越多,符合发动机燃烧基本规律。

     

  • 图 1  典型环形燃烧室(单头部)

    Figure 1.  Typical annular combustor (single head)

    图 2  结构简图

    Figure 2.  Structure diagram

    图 3  主燃孔与掺混孔的排布

    Figure 3.  Arrangement of main combustion holes and mixing holes

    图 4  网格独立性验证

    Figure 4.  Grid independence verification

    图 5  主燃孔截面冷态流场

    Figure 5.  Cold flow field of central section of main combustion hole

    图 6  三涵道变循环发动机结构图

    Figure 6.  Structure diagram of three culvert variable cycle engine

    图 7  模型建立的结构框图

    Figure 7.  Structure block diagram of the model

    图 8  燃烧室性能参数特性图

    Figure 8.  Characteristic diagram of combustor performance parameters

    图 9  部件级模型仿真结果图(H=0 km、Ma=0)

    Figure 9.  Component level model simulation results diagram (H=0 km,Ma=0)

    图 10  部件级模型仿真结果图(H=10 km、Ma=1.6)

    Figure 10.  Component level model simulation results diagram (H=10 km,Ma=1.6)

    表  1  主要结构参数

    Table  1.   Main structural parameters mm

    参数数值
    Dci473.4
    Di506.8
    Dcm590
    Do673.2
    Dco706.6
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    表  2  边界条件和模型参数

    Table  2.   Boundary conditions and model parameters

    参数数值
    进口压力/Pa2347300
    进口空气流量/(kg/s)3.4
    进口温度/K846
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    表  3  流量分配数值计算结果

    Table  3.   Numerical calculation results of flow distribution

    气流流量分配比例/%误差/%
    设计气量仿真气量
    雾化气流7.359.00+1.65
    旋流器气流13.6516.56+2.91
    头部冷却气流10.008.51−1.49
    火焰筒冷却气流24.9222.12−2.80
    主燃孔气流14.0412.05−1.99
    掺混孔气流30.0431.76+1.72
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    表  4  燃烧室出口截面计算结果

    Table  4.   Calculation results of combustor outlet parameters

    参数部件级模型三维模型相对误差/%
    出口总温/K195019480.1
    出口总压/Pa225810222487130.4
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    表  5  变循环发动机设计点参数(H=0 km、Ma=0)

    Table  5.   Design point parameters of variable cycle engine (H=0 km,Ma=0)

    参数文献模型计算数值
    ${A_{{\text{18}}}}{\text{/}}{{\text{m}}^{\text{2}}}$0.0664580.066458
    ${A_{\text{8}}}{\text{/}}{{\text{m}}^2}$0.2845810.284581
    ${n_{\text{l} } }/{\text{%} }$10099.477
    ${n_{\text{h} } }/{\text{%} }$10099.636
    ${\pi _{\text{f}}}$3.53.506
    ${\pi _{{\text{CDFS}}}}$1.31.302
    ${\pi _{\text{c}}}$65.988
    ${\pi _{{\text{th}}}}$2.77682.7793
    ${\pi _{{\text{tl}}}}$2.15982.017
    ${C}_{\text{sf} }\text{/ (kg/ (N}\cdot\text{h) ) }$0.0760.0747
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  • 收稿日期:  2022-01-05
  • 网络出版日期:  2023-06-12

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