分层旋流燃烧器冷态流场的大涡模拟

针对旋流数为0.25,0.45和0.79三种工况下带有中心钝体的分层旋流燃烧器的冷态流场进行了大涡模拟(LES),选取动态Smagorinsky涡黏模型作为亚格子尺度的湍流模型,研究旋流强度对钝体回流区、涡旋破碎和进动特征的影响.模拟结果与实验结果符合得较好.模拟结果表明:3个旋流数下钝体回流区的大小没有明显改变,轴向长度都约为20mm.Q准则用来显示涡旋结构,结果表明螺旋涡产生于旋流剪切层的Kelvin-Helmholtz不稳定性;增大旋流强度,涡旋破碎发生的位置向上游移动.功率谱密度(PSD)表明流场出现进动特征,进动运动沿流向逐渐衰减;旋流数为0.45和0.79时,钝体回流区末端出现进动特征;3个旋流数下,进动频率都约为78Hz.     

钝体绕流有旋流中回流区与进动涡核的大涡模拟

针对旋流数为0.57、0.68、0.91和1.59四种工况下的悉尼旋流燃烧器的冷态流场进行了大涡模拟,选取动态Smagorinsky涡黏模型作为亚格子尺度的湍流模型,研究不同旋流数下的流场结构、进动频率和进动涡核。模拟结果表明,旋流数为0.68时,钝体回流区长度最短。随着旋流数的增加,中心射流出口的旋流剪切层不断衰减,而下游的旋流剪切层不断增强。功率谱分析表明,进动现象的出现和消失对应于与旋流剪切层的增强和衰减;中心射流与下游区域具有不同的进动频率,表明流场中存在着两个独立的大尺度涡旋结构。不同取值位置的周向速度相关性分析进一步佐证了两个涡旋结构的存在。轴向位置70 mm处的横截面上瞬时流线和压强分布证实了下游流场存在着进动涡核。瞬时压强等值面显示了中心射流出口和下游流场进动涡核的三维螺旋形结构。下游流场的进动涡核均与平均速度场流线在空间上成正交关系,表明进动涡核是由剪切层Kelvin-Helmholtz不稳定性产生。     

低旋流预混燃烧稳燃机理的大涡模拟

采用大涡模拟(LES)方法对比了高低旋流的预混燃烧特性,并分析了低旋流的稳燃机理。结果表明:LES耦合部分搅拌反应燃烧模型(PaSR)可以准确的捕捉旋流预混燃烧的细小火焰结构和流场分布。不同旋流强度引发不同的流场特性,低旋流诱发较弱的回流区,而高旋流会诱发很强的回流区,这种强烈的流场特征往往会引起振动频率极低的进动涡核拟序结构(PVC)。通过涡脱落和燃烧温度分布的瞬时耦合关系,发现火焰剪切层引起的内外涡脱落频率差是低旋流火焰稳定的最主要因素,低旋流燃烧受涡旋结构的影响交替出现W和V型火焰。     

内旋流器旋流数对三级旋流流场特性的影响

为探讨内级旋流器旋流数对三级旋流流场结构的影响,采用2D-PIV流场测试技术,对三级旋流燃烧室简化模型开展试验研究。研究结果表明:内级旋流器旋流强弱并不是回流区形成的主要决定因素;随着内级旋流器旋流数的增加,回流区轴向长度逐渐变短,最大回流量逐渐增大,而对涡心位置、回流区径向宽度影响较小;回流区形状同时受内级旋流器旋流数及外级旋流器旋流数的影响,当内级旋流器旋流数相对外级旋流器旋流数足够小时,较易出现尾迹区。     

外旋流器旋流数对三级旋流流场特性的影响

采用二维粒子图像测速(2D-PIV)流场测试技术,试验研究了相同进口条件下多种旋流数组合旋流器出口冷态流场,分析比较了外级旋流器旋流数对流场结构的影响.研究结果表明:外级旋流器旋流强弱并不是回流区形成的主要决定因素；随着外级旋流器旋流数的增加,涡心有向前及向外移动的趋势,其回流区轴向长度逐渐变长,最大回流速度逐渐减小；回流区形状同时受外级旋流器旋流数及内级旋流器旋流数的影响,当外级旋流器旋流数相对内级旋流器旋流数足够大时,较易出现尾迹区；在旋流器出口附近,外级旋流器旋流数较小时旋流器组合流场的湍流强度峰值较大.      

旋流-突扩燃烧室冷态流场研究

本文对带有收扩段的轴对称旋流-突扩燃烧室模型的冷态流场进行了试验和数值计算.当旋流角为45°时,涡破碎是一个较弱的转变过程,流场受尾喷口收缩的影响较小.所以,带有收扩段和45°旋流角的旋流燃烧室比起其他结构形式的同轴旋流-突扩燃烧室具有类似超临界流动的特点.试验表明:当旋流角大于45°时,中心回流区反而减小.因此,对于旋流燃烧室来说,旋流强度增大,中心回流区并不一定增大.本文采用扩编的TEACH程序和SIMPLE方法对旋流流场进行了数值模拟计算.数值计算结果比较接近试验结果.     

大涡模拟研究钝体有旋流流场的拟序结构

对带有中心钝体的分层旋流燃烧器的冷态流场进行了大涡模拟(LES),选取动态Smagorinsky涡黏模型作为亚格子模型,研究旋流数为0.45时旋流场的大尺度拟序结构。模拟结果表明:瞬时压强等值面显示的内外螺旋涡及进动涡核(PVC)均与平均速度场流线在空间上呈正交关系,表明两种涡结构均由剪切层Kelvin-Helmholtz不稳定性产生。Q准则等值面显示内外螺旋涡在下游20mm左右开始发生破碎。PVC发源于环形旋流与环形射流剪切层附近的下游区域。瞬时周向速度的功率谱密度(PSD)出现明显的特征峰,表明PVC影响附近的流体,使之出现进动特征。采用本征正交分解(POD)重构湍流脉动速度场,不同模态下功率谱密度结果表明前两个模态的大尺度结构具有进动特征,使用前两个模态的周向脉动速度等值面显示了PVC周围流体的大尺度涡旋结构。     

主燃级旋流数影响三级旋流燃烧室流动与燃烧特性试验

为了研究主燃级旋流数对三级旋流燃烧室内的流动、燃烧特性,设计了两种不同主燃级旋流数的旋流器,通过粒子图像测速仪(PIV)与火焰自发辐射手段得到了燃烧室的流场和火焰结构。研究结果表明:主燃级旋流数的改变对出口流动以及点熄火极限油气比影响较大,主燃级旋流数增加使回流涡心位置向中心和上游靠近,中心回流区高度增加,出口涡量强度降低,下游中心回流区内侧的回流速度,湍流强度增加,火焰结构对称,成功点火时间减少,主燃级旋流数为0.8的点火极限油气比较主燃级旋流数为0.7在进口流量为200、250、300、350 m3/h各工况对应增加了48%、41%、26%、24%,熄火极限油气比各工况均增加30%以上。燃烧时,火焰呈一定的“V”型张角向外燃烧。点火时,火焰沿着中心回流区边界向内侧发展。      

径向双旋流燃烧室流场结构大涡模拟研究

为深入了解真实航空发动机燃烧室内流场结构,在自有CFD平台上采用动态亚网格湍流模型对一种径向双旋流环形燃烧室的单个头部构型冷态流场进行了大涡模拟。为保证模拟精度,没有对模型进行常规简化处理,对包括全部气膜冷却小孔在内的所有精细结构均进行了完全仿真。计算验证了程序对高度复杂流场的模拟能力,结果表明,大涡模拟能较为全面地反映燃烧室内复杂流场从静止启动到统计定常的非定常发展过程,并成功捕捉到流场中心回流区等各种大尺度结构及涡旋破碎泡等旋流特征;大涡模拟所获得的时间平均流场结构与已有PIV试验结果定性一致,与RANS计算相比更接近试验测量值。     

有限空间内低旋流流动与燃烧特性

为了对低旋流流动特性及其对火焰传播与稳定影响进行深入理解,通过实验与数值模拟相结合的方法,对有限空间内低旋流流动与燃烧特性进行研究.结果表明:改变中心孔板小孔直径,可以形成不同旋流数的旋流喷射器;在冷态条件下,随着旋流数增加,在展向平面上逐渐形成“W”形速度矢量分布;在铅垂截面内,速度矢量分布存在一个环形高速区域、中心低速区和外侧低速区.由于燃烧气体吸热膨胀、涡量诱导和温度斜压效果,使得冷态高旋回流流动转变为了燃烧条件下低旋无回流流动;在有限空间内,低旋流燃烧没有形成脱体火焰,而是形成类似于扩散燃烧火焰;随着旋流数增大,温度分布边界和化学反应边界在展向平面逐渐缩短,而在铅垂截面逐渐扩大.      

基于PaSR模型的低旋流燃烧大涡模拟

为了深入理解低旋流流场特征和燃烧稳定性,基于OpenFOAM平台,采用动态k方程模型和有限速率PaSR模型对甲烷/空气预混低旋流燃烧进行了大涡模拟,研究了气流入口速度、当量比和压力等流场参数对流场结构和燃烧非稳态特性的影响,分析了流场大尺度结构与火焰相互作用。结果表明,流场结构和火焰抬升高度受入口速度影响较小,流场和火焰形态能够保持自相似性;随着当量比和压力提高,流场扩张性增强并在燃烧区下游产生回流区,火焰稳定不依赖回流区,根部火焰锋面形状由U形转变为W形,火焰抬升高度降低。火焰锋面稳定在剪切层,剪切层产生的周期性有序涡结构引起当地流场速度脉动和火焰表面褶皱,反映了流场非稳态特性;通过剪切层监测点瞬时轴向速度分析,涡结构特征频率随速度增大而提高,由250Hz提高至300Hz,随当量比和压力提高而降低,由250Hz降低至125Hz。     

低旋流中心分级燃烧室流场特性研究

为了研究新设计的一种低旋流中心分级燃烧室流场特性,采用数值模拟和PIV试验结合的方法,针对其头部两级主副模旋流器的不同组合方案开展了研究。研究表明:低旋流下,单独副模旋流器工作时气流半角22.3°,无法形成回流区,同时,副模气流轴向速度在旋流器出口具有较大的速度衰减特性;回流区的形成是主副模旋流器相互作用的结果,流场呈径向分区特征,中心回流区在内,回流区最大径向尺寸小于主模旋流器外径,主模气流在回流区外,无回流区形成;不同副模旋流数下的流场结构基本一致,随着副模旋流数的增加,中心回流区的径向尺寸增大。     

方柱-强旋组合旋涡脱落机制研究

强旋流和钝体绕流均可构造低速回流区以利于高速气体稳定燃烧,本文通过在钝体中心开孔通入旋流气体模拟研究了旋流流动对钝体绕流旋涡脱落的影响规律。计算结果表明,在旋流作用下,钝体绕流涡脱规律更加复杂,涡脱由上下边界层失稳主导变为由旋流管中的旋流涡主导,并且形成的涡尺度增大,在脱落过程中会由于旋涡的破碎产生"点潭"以增强周围涡强度。同时,柱体涡和旋流涡的相互作用可以减小流动阻力,增加回流区长度和回流质量流量,从而强化传热传质,起到强化燃烧增加燃烧稳定性的效果。     

燃料分级对旋流火焰的动态特性影响研究---“两机”专刊

为深入研究分级旋流火焰特性,本文以分级旋流模型燃烧室为研究对象,对四个不同燃料分级比(FSR)条件下的分级旋流火焰进行了数值研究,在时均燃烧场特性分析的基础上进一步对燃料分级比为1和3两个工况进行了大涡模拟(WMLES)研究。结果表明：燃料分级比的改变会影响中心回流区(CRZ)的长度和宽度。燃烧室中截面的散点分布图能够显示出不同燃料分级比条件下的燃烧特征。燃料分级比为1时,燃烧室剪切层仅存在零散的涡破碎区;而燃料分级比为3时,伴随涡破碎区还出现了单螺旋分支进动涡核(PVC)。通过FFT变换获得的燃烧室内剪切层速度能谱主频与进动涡核的旋转频率相同,表明内剪切层速度脉动的产生与进动涡核有关。另外进动涡核会使流场内的燃料分布和燃烧模式发生周期性的变化,进而影响燃烧过程。调整燃料分级比在1附近,能够使分级火焰达到稳定燃烧降低排放的目标。     

旋流数对小限制率旋流喷雾及火焰特性的影响

分布式贫油直喷（Distributed Lean Direct Injection,DLDI）燃烧室是国外多点贫油直喷（MLDI）燃烧室的实用发展形式。本文对DLDI燃烧室的主燃级单元LDI开展研究,主要关注外旋流器旋流数（Sn）从0.65降低到0.33对流场、喷雾和火焰结构的影响。利用FLUENT软件、采用雷诺平均方程（RANS）对时均流场进行求解;利用离散相模型（Discrete Phase Model）对喷雾散布进行模拟;利用Mie散射和激光粒度测量仪对喷雾散布和SMD（Sauter Mean Diameter）进行测量,并对仿真结果进行验证;利用高速摄像机拍摄火焰结构。研究结果显示Sn变化直接改变流场结构：随着Sn的减小,外旋流射流对内旋流射流的压制逐渐变强,内旋流射流的张角和中心回流区尺寸都逐渐缩小;尤其在Sn为0.33时,角涡回流区演化成壁面回流区。流场变化影响液雾散布：Sn在0.38~0.65区间时,喷雾核心主要由内旋流射流输运,喷雾张角由内旋流射特性决定;当Sn为0.33时,喷雾核心会在自身惯性下射入外旋流射流,在外旋流射流以及壁面回流区的作用下均匀散布。喷雾散布结果表明喷雾核心射入外旋流射流时更有利于液雾的散布。火焰结构的研究结果显示在小限制率条件下,Sn为0.33时,中心回流区回流量不足、无法稳定火焰,此时形成的壁面回流区创造了新的稳火点来帮助稳定火焰。     

不同进口雷诺数下双旋流杯下游回流区特征

为了分析旋流杯下游流场结构对航空燃气轮机燃烧室性能影响的作用,利用PIV(激光粒子测速仪)技术,在常温常压下对双旋流杯下游冷态流场进行测试,研究进口雷诺数对双旋流杯下游回流区的影响.试验结果表明:当进口雷诺数较低时,下游流场结构为收扩型;当进口雷诺数增大到25000后,流场结构变为扩张型;之后继续增加进口雷诺数,回流区流场结构不再改变,但回流区内的无量纲回流速度会随之增加.      

中心分级燃烧室头部冷态流场特性实验研究

为了深入研究中心分级燃烧室的流场特性,采用PIV方法对其头部冷态流场开展了实验研究,重点分析了中心分级燃烧室头部流场的结构特征以及主燃级旋流数对头部流场的影响。实验结果表明：中心分级燃烧室头部典型流场结构形成一个较大的中心主回流区、较小的端部回流区及角回流区,主、预燃级气流的相互耦合过程分为独立射流、气流掺混和气流合并三个阶段。主燃级旋流数对头部流场结构影响较大,随主燃级旋流数增大,主、预燃级气流耦合作用减弱,回流区分布形态发生较大变化,新的流场结构特征为中心主回流区范围明显收缩,端部回流区向下游延伸,在主、预燃级之间剪切层形成较长回流区。针对该中心分级燃烧室头部,主、预燃级气流由耦合流动变为解耦流动的临界主燃级旋流数为0.8~1.0。