航空发动机燃烧室旋流流场特性PIV分析(英文)

应用粒子图像测速仪(Particle image velocimetry,PIV)研究了具有两级轴向旋流器的航空发动机燃烧室旋流流场特性(包括冷态流场和燃烧流场)。分别研究了不同主燃孔几何大小与空间排布、进口空气温度、一级轴向旋流器旋流角度以及油气比对冷热态流场的影响,分别获得了流场速度大小、脉动速度、雷诺应力以及回流区长度等参数。试验结果表明:燃烧流场的中心回流区长度要比冷态流场中心回流区短;随着进口空气温度和油气比的增加,中心回流区长度减少;同时主燃孔几何参数的变化(主燃孔大小和空间排布)对两级轴向旋流器旋流流场有很大影响。     

旋流作用下突扩燃烧室内冷态流场的 PIV 分析

旋流作用下突扩燃烧室内流场特性的研究对保证燃烧室的正常工作具有重要的意义。利用PIV技术对燃烧室内冷态流场的结构进行了实验诊断与分析,获得了不同实验条件下燃烧室内的速度场、回流区分布和流场内涡的变化规律。研究表明,当入口空气压力变化时,燃烧室内冷态流场可以保持稳定结构,均包含角回流区、中心回流区及剪切层结构。沿燃烧室轴向方向,中心回流区的宽度先增大再减小。随着入口压力的提高,燃烧室内冷态流场的回流区宽度及回流区长度缩短,最大回流速度增大,回流区中心位置向入口移动。同时,在燃烧室冷态流场中会出现由旋流作用引发的涡旋进动现象。     

回流燃烧室流动、火焰及点熄火过程研究

回流燃烧室与直流燃烧室不同,结构复杂,为了研究回流燃烧室内的流动以及燃烧特性,采用粒子图像测速仪（Particle image velocimetry,PIV）测量对其冷态流场开展研究,通过火焰自发辐射手段得到了燃烧室火焰结构以及火焰传播过程。研究结果表明：回流燃烧室流场不具有对称性,内外壁面速度分布不相同,压损的改变对燃烧室流场结构影响较小,随着压损的增加,速度值增加。燃烧主要在主燃区和中间区进行,火焰呈一定的“月牙”形向外燃烧。燃烧室点火过程可分为火核生成阶段、火核发展阶段、点火成功阶段和火焰稳定阶段4个阶段,回流涡着火是成功点火的关键。熄火时,火核向回流区后部靠近,火焰根部逐渐远离旋流器出口位置,火焰从正常燃烧时的月牙形结构演变为单股火焰。     

中热值合成气扩散燃烧速度特性的实验研究

针对CH4和中热值合成气的旋流燃烧室进行了PIV测量,获得了不同燃料燃烧对火焰流场变化的影响.实验结果表明:在相同入口条件下,合成气燃烧时的火焰张角略大,回流区宽度和回流强度均高于CH4火焰,燃气流量较低时,合成气火焰的湍流强度更大,燃气流量增大后,CH4的燃烧脉动速度逐渐增大并超过合成气.     

中心突扩燃烧室PIV实验研究

利用PIV技术对两种不同尺寸的中心突扩燃烧室在不同入口速度条件下的冷态流场进行了实验研究,测量并分析了流场结构与来流速度、突扩比、喷管收缩段等因素的关系.实验结果表明利用PIV技术能较好地获得高速条件下燃烧室二维速度场;对于不同突扩比的燃烧室,突扩面后的流场结构类似,但回流区的最大负速度与入口速度的比例关系不同;在喷管人口处,流场在此处重新形成旋涡,其直径较大,但强度相对较弱.     

涡轴发动机燃烧室头部流场试验研究

对涡轴发动机短环直流燃烧室进行了突扩区和火焰筒头部间流场试验研究。采用ＬＤＶ多谱勒激光测速仪测量了燃烧室头部的时均速度场和各测量点的紊流强度，并绘制了流谱。通过对七种不同结构方案扩压器进行试验，研究了几何参数和前置扩压器出口气动参数变化对突扩区和火焰筒头部间速度场以及各点紊流强度、旋涡位置与大小的影响。通过流场分析找出各参数对燃烧室性能影响的规律。本试验结果可为涡轴燃烧室的优化设计提供可靠的有应用价值的试验依据。     

航空发动机燃烧室光学可视模型试验件及其流场测量研究进展

航空发动机燃烧室内的燃烧组织是高温高压受限空间内多级旋流复杂流场结构的气动、燃油雾化、蒸发、油气混合和燃烧化学反应多场耦合过程,而其流场特性影响雾化和燃烧过程,从而对燃烧室的燃烧性能具有决定性影响。对燃烧室内复杂强旋流流场组织机理的认识和高精度测试一直是发动机燃烧室研制过程中的难点之一。本文针对光学可视模型燃烧室试验件设计方法及典型发动机燃烧室的流场组织机理和特性进行总结,希望给发动机燃烧室研制过程中光学模型燃烧室试验件的设计提供一定的借鉴,深刻认识目前两类典型的传统旋流杯模型燃烧室和基于分区分级耦合燃烧技术的新型燃烧室的流场特性,促进航空发动机燃烧室的研制。     

SL-II型乙烯裂解炉炉内流动特性的研究

乙烯裂解炉底部燃烧器的燃气射流,使炉内烟气流动复杂,烟气温度分布的均匀性较差.为了解实际裂解炉膛内较难观察到的气体流动状态并为裂解炉膛内合理的流动组织提供调整依据,以优化炉内燃烧,通过冷态模型研究了裂解炉炉膛内气流速度场.利用PIV技术测量炉内流场速度,得到了不同工况下的流场图和炉内气速分布规律.结果表明炉内流场主要受底部燃烧器的影响,而侧壁燃烧器由于负荷相对较小,对炉内流场影响较小;底部燃烧器的气体射流在炉膛下部管排两侧各形成一个回流区,由于炉膛结构的影响导致了炉膛上部管排两侧的非对称速度分布.     

碳氢燃料超声速燃烧室火焰稳定机制研究

在来流总温1085K、进口马赫数2.0下开展了煤油燃料超声速燃烧试验，使用高速摄像观测了火焰的形态和结构，采用平面激光诱导荧光技术（PLIF）观测了煤油和OH的分布，结合数值模拟结果分析了燃烧室的火焰稳定机制。测量结果显示:燃烧反应主要发生在射流的下游区域和凹槽区域内，随着燃料当量比的增加，火焰传播角度及火焰向主流的穿透高度增加。数值模拟结果与实验测量吻合较好。火焰稳定机制分析显示:液态煤油喷入燃烧室内，主要分布在下壁面附近的流场中，燃烧产生的高温燃烧产物通过凹槽剪切层与回流区之间的相互作用，进入凹槽并为剪切层中的空气-煤油混合气体提供稳定的热量和中间产物，使得火焰基底能够稳定在剪切层内，并以相对固定的角度向主流流场中传播。     

纯净空气来流下的超声速燃烧实验装置及其初步实验结果

采用电阻加热的连续式实验设备,在燃烧室进口气流为高温纯净空气、马赫数Ma=2、总温Tt=1000K,总压Pt=0.8MPa条件下,进行了不同当量油气比的氢和乙烯燃料的超声速燃烧室直连式实验.采用从壁面垂直于主流喷射燃料和以氢作为先锋火焰,实现了乙烯燃料的可靠点火和稳定燃烧.实验测量了燃烧室的壁面压力、空气流量、燃料喷射压力、喷管进口总温等参数,并拍摄了燃烧室出口火焰.本文实验采用的电阻加热设备具有实验介质无污染、稳定运行时间长、工作性能稳定、成本低、操作简单等优点,其主要部件电阻加热器出口的最高温度可达600~1000K,对应的流量为1.5~0.73kg/s、加热器功率为750KW.     

氢燃料双模态冲压模型发动机M6的试验研究

笔者研究了一个有突扩台阶的氢燃料高超声速冲压发动机模型的气体动力学特性和推力特性。氢气从位于燃烧室突扩台阶后的支板逆来流喷注,测量了氢气燃烧状态下模型发动机壁面的压力分布和推力收益数据。实验结果表明,在氢气的当量油气比为0.35～0.8的范围,在本模型流道构型条件下,氢气自燃,并随当量油气比的增加,燃烧室内压力增加,获得的推力收益增大,最大推力收益达到500N。实验在CARDC的脉冲燃烧风洞中进行,实验马赫数为6,总温1850K,总压5.5MPa。     

M6双模态冲压模型发动机氢燃料的燃烧试验研究

在一个有突扩台阶的氢燃料高超声速冲压发动机模型内研究了氢燃料喷注方式对点火与燃烧效果的影响。氢气从均匀分布于支板上的小孔喷注 ,支板位于燃烧室突扩台阶后 ,燃料的喷注方向可调。本文研究了逆来流喷射、逆流与来流夹 4 5°角喷射 ,同时从支板前端面逆喷和从支板后端面顺喷、从壁面垂直于气流喷注燃料时 ,燃烧室内燃烧效果的差异。实验在中国空气动力研究与发展中心的脉冲燃烧风洞上进行 ,实验马赫数为 6 ,总温1 85 0 K,总压 5 .5 MPa。实验结果表明 ,从支板前端面逆喷氢气时 ,点火与燃烧的效果最好。逆喷方式下 ,当氢气的当量油气比为 0 .8时 ,在本模型流道构型条件下 ,获得的推力收益超过 5 0 0 N。     

文氏管长度对双级涡流器出口流场影响的试验研究

采用粒子图像测速仪（Particle image velocimetry, PIV）测量双级涡流器出口流场，改变文氏管长度，探讨文氏管长度对双级涡流器出口流场的影响，揭示了涡流器下游流场特征，获得了沿轴向不同位置的轴向速度和径向速度分布规律。研究表明：随着文氏管长度的增加，涡心发生径向位移，上下涡心的中心距离从22.2 mm增加到了29.2 mm，中心回流区的面积增加，轴向速度和径向速度分布特征有利于燃烧组织。     

采用CARS试验技术与UFPV数值方法研究航空发动机燃烧室

在自主开发的软件平台上，采用基于URANS的方法计算航空发动机燃烧室的三维两相燃烧流动，考虑了液态燃油从液膜-液滴-燃气-燃烧的完整物理化学过程。其中，颗粒相采用LISA一次破碎模型，KH-RT二次破碎模型和标准的蒸发模型，湍流燃烧模型采用可以考虑非稳态燃烧特性的非稳态火焰面/反应进度变量方法，得到了航空发动机燃烧室中温度、组分浓度和燃油液滴的颗粒直径分布规律。同时，采用CARS光学手段测量燃烧室主燃区的温度分布，并将数值计算结果与光学试验测量值进行比较，数值计算结果和试验值吻合较好，数值计算误差小于7.3%。说明了本文的数值计算方法和UFPV方法在计算航空发动机燃烧室的两相燃烧流动时具有较高的精度。     

不同进口马赫数下超声速燃烧流场特性研究

对有无楔板超燃冲压发动机模型内横向氢气喷流超声速燃烧流场进行了数值模拟,分析了进口马赫数对超声速燃烧流场特性及特征参数分布的影响特性。采用有限体积法求解多组元Navier-Stokes(N-S)方程,对不同进口马赫数下的燃烧流场进行了数值模拟,细致对比了流场激波结构、喷流穿透深度、燃烧阵面,燃烧效率及总压恢复系数等参数随进口条件的变化特征。结果表明:无论是否存在楔板结构,喷口后流场压强均随着进口马赫数的增加而减小,并且随进口马赫数的增加,氢气喷流穿透深度减小,楔板对喷流穿透深度基本无影响。较无楔板结构而言,设置楔板结构可以缓解燃烧室内流场对马赫数变化的敏感度,使燃烧更为稳定。在同一进口马赫数条件下,楔板布局有明显的促燃作用及激波点火效果,在一定程度上可增加此类发动机工作的马赫数范围,但以总压恢复系数略微降低为代价。     

双旋流燃烧室两相喷雾试验和数值研究

采用粒子场脉冲激光全息技术对航空发动机燃烧室中的雾化场进行了测量，得到了燃烧室中燃油液滴直径的空间分布，从而对燃烧室中的雾化过程进行了研究。自主开发完成了适用于航空发动机燃烧室的三维两相数值计算平台，建立了首次雾化模型和二次雾化模型。基于LISA模型和KH-RT模型，对燃烧室中的首次雾化过程和二次雾化过程进行了数值模拟，得到了燃烧室中液雾的空间分布。通过将计算结果与试验结果进行对比，显示开发完成的雾化模型能很好的模拟高温高压，强旋流条件下航空发动机燃烧室的整个喷雾雾化过程。