分会场

高效清洁燃烧

摘要

氢氧火箭上面级所搭载的航天器集成流体（IVF）系统能够显著降低制造成本和质量，提升上面级的运载能力，还能将飞行任务周期延长至数周，是适应氢氧上面级长时间在轨的新技术手段，因此，具有显著的研究价值。其中，氢氧内燃机作为该系统集成的关键组件，能将上面级各子系统连接成为一个整体。针对氢氧内燃机，在压缩行程中直接喷射(DI)燃料可以极大地提高发动机效率和功重比，同时降低回火和早燃风险。因此，作者以美国阿贡国家实验室搭建的光学氢发动机仿真模型为基础，进行了纯氢纯氧缸内燃烧过程三维仿真分析，基于CONVERGE仿真平台，采用重整化群（RNG）k-ε模型来模拟缸内湍流，详细化学求解器（SAGE）来计算分析燃料的燃烧反应过程。为此，在改进的氢氧发动机模型中分别研究了直喷氢（DI-H2）和直喷氧（DI-O2）两种模式下缸内燃烧特性。首先针对DI-H2模式，通过控制氢气喷射质量流量，研究不同氧气当量比（Φ）0.33、0.1、0.08下缸内混合程度、燃烧可控性以及输出功。再与DI-O2模式氧气当量比（Φ）为8的富燃环境下缸内燃烧特性进行比较分析。比较了缸内氢-氧混合均匀程度、燃烧可控性以及内燃机输出功率。研究结果表明：在DI-H2模式下，Φ为0.33时，缸内燃烧不可控，缸内爆发压力已超过10MPa；Φ为0.08时，燃烧虽然可控，但由于过于稀薄燃烧，缸内燃料的混合程度低且输出功率不满足IVF系统2kW要求。当Φ=0.1时，既能满足发动机缸内混合程度好、燃烧可控的需求，同时也能满足IVF系统对于内燃机的功率输出要求。考虑到缸内温度和压力的承受极限，认为适合该发动机条件的氧气当量比应在0.1左右。而在DI-O2模式下，由于缸内富燃使得的缸内燃烧可控，缸内混合程度Φ=8与DI-H2模式下Φ=0.33时相当，爆发压力低于5MPa，最高温度低于1500K，输出功率2.265kW也大于2kW符合设计要求。因此，该模式具备较大潜力，也是未来空间在轨氢氧内燃机可选的燃烧模式之一。

关键词

空间在轨;氢氧内燃机;直喷氢;直喷氧;燃烧控制

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