环形燃烧室模型试验件冷态流场测量调试试验研究

为实现环形燃烧室模型试验件冷态流场测量,设计了环形燃烧室模型试验件,并在自模区工况下对采用粒子图像测速仪测量其内部冷态流场进行了调试。结果表明,可变视场透镜能很好地满足不同头部流场测量时视场变化的需求,试验件增透设计并配合滤光镜和圆偏振镜能很好地削弱试验背景光和试验件表面产生的反射光。单个头部、两个头部、六个头部获得了较好的测量结果,而环形流场因激光衰减、光腰厚度增加、测量分辨率降低,半环形流场因上下两个区域示踪粒子相关性较差,都没能实现测量,最终通过旋转试验件的方式实现了环形流场测量。所测结果能较好地揭示真实曲率效应影响下单个头部流场的细节结构、相邻两个头部之间的相互作用特性,及整个环形流场的结构特征,为环形燃烧室模型试验件冷态流场测量提供了有效方法。     

内窥式PIV测量技术研究

内窥技术与粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry,PIV)相结合为航空发动机等受限空间内部流场测量提供了可能,本文针对内窥式PIV测量系统中激光内窥镜和相机内窥镜分别进行了详细介绍与探讨,并在现有的PIV基础上自主搭建了一套内窥式PIV测量系统,在解决系统存在的成像圈小、分辨率低、示踪粒子图像不相关、系统标定等难题后获得了较好的测量结果,在对同一稳态流场开展对比性实验研究后发现与常规PIV测量结果相比最大相对误差为1.6%。表明该测量技术具有较高的测量精度可应用于发动机实际工程研制中。     

应用PIV技术测试模型环形燃烧室流场

采用粒子图像测速仪(PIV)测量带双级旋流器模型环形燃烧室内冷态和燃烧流场,试验研究不同进口气流温度对其冷态和燃烧流场内回流区的形成以及气流速度分布的影响,试验结果表明:燃烧室燃烧流场内回流区长度要比冷态流场短,燃烧流场的脉动速度明显大于冷态流场;另外随着进口气流温度增加,燃烧室冷态和燃烧流场的回流区长度都稍有减少.      

3旋流燃烧室头部冷态流场数值计算与试验验证

为了探究单管燃烧室壁面开设光学观察窗与3维倾斜冷却孔对燃烧室冷态头部流场结构的影响规律,利用CFD软件对某型发动机单头部燃烧室结构及简化结构的流场特性进行数值计算,并利用粒子测速仪（PIV）对开设光学观察窗的单管燃烧室头部冷态流场进行了试验验证。结果表明：单管燃烧室冷态流场数值计算结果与PIV测量结果基本相同,验证了数值计算的准确性。燃烧室进口空气流量的增加不影响燃烧室回流区的大小;单管燃烧室壁面冷却孔的布置位置对冷态流场中心回流区几乎无影响;在单管燃烧室水平方向壁面上开设光学观察窗,对水平方向的回流区影响较大,而垂直平面上的回流区几乎不受影响。     

回流燃烧室流动特性试验

为了揭示有/无燃烧状态下燃烧室热态和冷态流场的特征和流动特性，针对某型回流燃烧室单头部试验件，使用粒子图像测速仪（PIV），测量燃烧室燃烧状态下不同截面处的热态流场，以及没有燃烧状态下不同截面处的冷态流场，探讨不同总压损失系数对回流燃烧室热态/冷态流场特征及流动特性的影响。研究表明:随着总压损失系数的增大，冷态条件下各截面流场结构基本保持不变，如射流孔穿透深度、射流角度、回流区位置及大小、流线等基本保持一致，但是各位置点速度大小逐渐增大。热态条件下各截面流场随着总压损失系数增大，流场结构也基本保持不变；相同总压损失系数时，热态流场与冷态流场存在差异，燃油喷射与气流的相对运动将会对燃烧室头部的流场结构造成影响，速度较冷态流动时略微增大。      

主燃孔对模型燃烧室流场的影响

为了深入了解主燃孔参数变化对双级轴向旋流器模型环形燃烧室内气流组织与气动性能的影响,采用PIV测速仪对该燃烧室内冷态和液雾燃烧流场进行测量,试验研究在冷、热态情况下不同主燃孔参数对模型燃烧室内回流区的形成、轴向平均速度u,轴向脉动速度Urms,雷诺剪切应力u′v′分布的影响。研究结果表明:主燃孔参数变化对燃烧室内冷、热态流场有着重要的影响;燃烧室在燃烧情况下所得的中心回流区长度要比冷态短,但回流负速度、脉动速度和雷诺应力都明显大于冷态,所得的研究结果可为燃烧室优化设计提供有用的依据。     

冲压发动机驻涡燃烧室模型方案数值模拟研究

为探索适用于高推重比发动机的高性能燃烧室,在一种冲压发动机特定结构应用背景条件下,设计了一种驻涡燃烧室（Trapped-Vortex Combustor,简称TVC）技术应用模型方案,并对其进行了冷态流场数值模拟,对包括驻涡区长宽比、驻涡区长度、驻涡区进口导流结构形式、主流钝体与联焰板的结构形式与参数的影响进行了分析,探索TVC燃烧室方案在冲压发动机上的应用可行性。从三维冷态流场数值模拟结果来看,燃烧室模型方案内部形成了设计的涡系结构,能够实现初步的组织燃烧。通过不同设计参数的计算模拟,摸索出驻涡区高度、驻涡区宽高比等参数对燃烧室内部流场影响的规律。研究结果表明驻涡区宽高比控制在1.0左右驻涡区涡系结构最好,有利于组织燃烧。     

超紧凑燃烧室内流场水流模拟实验研究

为探究超紧凑燃烧室内流场结构和数值模拟结果的准确性,根据相似原理,搭建了超紧凑燃烧室内冷态流场水流模拟实验装置。用红墨水作示踪剂,显示超紧凑燃烧室周向环腔内不同位置的流场轨迹。在满足与水流模拟实验雷诺数相等的情况下,以空气为介质用Fluent软件对超紧凑燃烧室内冷态流场进行数值模拟。数值模拟与水流模拟实验结果对比表明,所得流动轨迹形状相似,运动趋势一致。利用水流代替空气流研究超紧凑燃烧室内冷态流场特性,能更直观地验证流场结构数值模拟结果的可靠性。     

基于PIV技术的双旋流燃烧室冷态流场测量

为了掌握双旋流燃烧室流场特性,利用粒子图像测速仪(PIV)对双旋流、低排放燃烧室的冷态流场进行测量。并对流场在不同供气压降、不同测量截面上的分布特性进行试验研究。结果表明:随着进气速度的增大,回流区的面积及回流强度有所增加,回流区长度变长,燃烧室头部气流更稳定,燃烧效率更高。随着距旋流器出口距离的增加,截面上环形流场的强度有所减弱。研究结果为进一步研究利用多级旋流器实现燃烧室内稳定燃烧并降低排放提供了重要依据。     

无隙锥形旋流器燃烧室流场分叉现象的数值研究

分别对冷态条件下, 无隙锥形旋流器燃烧室前扩压器内流场的分叉现象以及燃烧室内燃烧空间的流场分叉现象进行了数值模拟计算。希望通过流场的数值模拟计算, 从流体力学的角度寻找流场产生分叉现象的原因。流场的数值计算结果与实验测量结果符合较好。      

基于波长调制技术的燃烧室出口温度分布TDLAT测试方法

为给未来高推质比航空发动机燃烧室出口温度分布测试作技术储备,以某单管燃烧室为研究对象,采用可调谐半导体激光吸收层析成像(TDLAT)技术,在0.5～0.8 MPa压力环境下,研究了基于波长调制(WMS)技术的燃烧室出口温度分布测试方法的工程适用性。结果表明：通过多光路正交测量的方式,利用扣除背景的归一化波长调制光谱模型、变量轮换迭代反演及计算层析(CT)技术,可以实现具有时空分辨性的燃烧室出口温度分布式测量;场分布重建结果能够较正确地反映出燃气温度和H₂O气体积分数随进口参数变化的趋势与特征;受燃烧流场的不均匀性、光谱模型建立与光谱参数标定的不准确、反演与重建算法的不完善等因素的影响,TDLAS测温均值低于热电偶测量结果,相对误差在15%～23%之间,测量数据的准确度距工程应用需求还有一定的差距。     

航空涡轮发动机燃烧室内流场的PIV测量

设计了一种基于旋风分离原理的高压粒子发生器，并成功应用于高压状态下的航空涡轮发动机燃烧室内流场的PIV（粒子图像测速法）测量.在氢氧燃烧加热来流温度为813K、燃烧室压力为2.78MPa条件下，应用PIV技术开展了航空涡轮发动机单头部燃烧室复杂内流场测量研究，实现了高温高压条件下强旋流、强扰流、宽速域流场的PIV测量，获得了接近燃烧室工作压力工况下的流场速度和流场精细结构.结果表明:该型燃烧室内流场存在多处旋涡结构，形成回流区；流场旋流作用强，横截面流场存在顺时针大涡；主燃孔射流和掺混孔射流作用明显，射流穿透深度较大，对流场结构影响显著；高温高压状态下，流场结构与常温中压状态类似.      

基于OpenFOAM的三维H2/Air连续旋转爆轰流场数值模拟

为进一步研究旋转爆轰流场特征,基于开源计算流体动力学软件OpenFOAM,采用9组分19步的基元化学反应模型,对H2/Air连续旋转爆轰流场进行了三维数值模拟,得到了旋转爆轰波稳定传播时燃烧室内部流场的详细结构,研究了燃烧室头部激波的传播特性,分析了旋转爆轰燃烧室的压力增益性能。结果表明:旋转爆轰波后的第一道反射激波在由燃烧室外壁面向内壁面传播过程中反射激波的高度增加并在靠近内壁面附近与滑移线交汇形成局部高温高压区域;旋转爆轰波在外壁面位置处相位约落后于内壁面0.003rad～0.15rad,其相位差随燃烧室曲率差的增加而增大;燃烧室头部反射激波数目受到曲率差和进气总压的影响,燃烧室曲率差增大,反射激波数目减少,进气总压增大,反射激波数目增多;燃烧室压力增益保持在0.3以上,在进气总压一定的条件下,压力增益随着燃烧室曲率差的增大有增加的趋势。研究结果揭示了三维旋转爆轰流场的精细结构和燃烧室头部激波的传播规律。     

先进激光测量技术在航空发动机燃烧室研发中的应用

在航空发动机燃烧室的研发过程中,传统的测量手段往往有时无法实施或不能满足精确捕捉流场信息的要求,发展新型、高精度测量以及先进诊断技术势在必行。重点介绍了适用于航空发动机燃烧室测量的先进激光测试技术,并与传统测量方法进行了比较。发动机燃烧室内的流场测量包括速度测量、温度和组分质量分数测量。氢氧根离子标记测速(HTV)方法适用于有化学反应流场的速度测量;而拉曼散射测量技术可以同时测量多种组分的质量分数和温度。利用这些激光测量技术的特点,可以使其在燃烧室的点火、贫油熄火及排放等性能的研究中发挥重要作用。     

航改燃气轮机环形燃烧室三维全流场数值模拟

采用数值模拟方法对燃用天然气的某型航改燃气轮机环形燃烧室进行三维流场分析。根据改型后燃气轮机的结构特点建立了真实的三维计算几何模型;计算中采用SIMPLE算法,可利用k-ε双方程湍流模型、六通量辐射模型、非绝热概率密度函数（PDF）燃烧模型及热力型NO模型对燃烧流动进行数值模拟,分析了燃气轮机环形燃烧室在3种状态下燃烧流场的性能。计算结果表明：在3种状态下的燃烧流场和燃烧性能均能达到设计状态。     

用双色激光多卜勒风速仪研究燃烧室的复杂流场

 本文总结了双色激光多卜勒风速仪系统在航空发动机蒸发管式模型燃烧室流场测量中取得的一些结果及应用经验。并与用常规方法测得的结果作了比较。     

斜切径向旋流器环形燃烧室数值模拟

采用三维贴体坐标系统,对包括突扩扩压器、帽罩、旋流杯、火焰筒以及内、外环通道的环形燃烧室全流程2相燃烧流场进行数值研究。采用k-ε湍流模型、2阶矩-EBU湍流燃烧模型、6通量辐射模型和颗粒轨道模型等模拟2相湍流燃烧流动,分析了进口工况对全流程燃烧流场的影响。计算结果表明:随着进口工况的改变,燃烧室出口温度场也发生相应变化;计算结果与试验数据比较表明:所用的数学模型合理、计算方法可行,其结果可为某型燃烧室优化设计提供可靠依据。     

双模态超燃冲压发动机流量匹配的临界面积法

建立基于控制体法的0-D守恒方程(流量连续方程、动量守恒方程和能量守恒方程)的热力喉道(Ma=1.0)求解集总参数模型,该模型包括了壁面摩擦模型、燃油喷射模型、燃油雾化掺混模型和化学动力学模型.并针对集总参数模型求解热力喉道的特殊性,提出了基于流量平衡的临界面积法,应用于隔离段和燃烧室的1-D流场计算,实现了双模态超燃冲压发动机具有热力喉道时的各种模态的隔离段和燃烧室的流量平衡计算,精确捕捉到热力学喉道,确定了隔离段流动状态和燃烧室的工作模态及相关的流路沿程参数.计算结果表明:采用了临界面积法的集总参数计算模型能解决热力学喉道求解问题,其计算精度达10-4,单点工况计算时间小于0.1s.      

分级燃烧室预燃级旋流组织对点熄火性能影响的试验研究

为了有效拓宽多级旋流分级燃烧室的稳定工作边界,在模型燃烧室上开展了分级燃烧室点火和熄火特性试验研究,采用平面激光测量技术获得了燃烧室冷态流场结构和燃油浓度分布,分析了双级旋流预膜式空气雾化预燃级设计参数(两级旋流旋向、旋流强度)对流场结构、燃油浓度分布和燃烧稳定性的影响,并阐明了燃烧室点火和熄火特性与流场结构和燃油浓度分布的内在关联机制。结果表明,预燃级两级旋流反旋、适当减小内级旋流强度和增大外级旋流强度有利于改善这类分级燃烧室的点火和熄火特性。相关研究结论能够应用于分级燃烧室预膜式空气雾化预燃级设计。