超声速气流与反向射流的混合

在不同的反向射流喷射角度条件下,对反向射流混合加热方案的混合效果进行了实验研究。采用空气和氢气燃烧混合物作为超声速载气流,常温下的空气作为反向射流。将混合前后流场的温度分布作为衡量载气流与反向射流混合效果的标志。实验结果表明:混合均匀度随混合距离的增加而提高;反向射流的喷射角度在40°角附近时混合均匀度最佳;增大反向射流初始压力可有效提高反向射流与载气流的流量比,从而提高混合效率。     

火箭燃气射流近场噪声特性实验研究

火箭燃气射流噪声特性是武器系统集成化所考虑的重要因素之一，通过对单室双推力实验发动机近场射流噪声的测量与分析，得到噪声峰值频率的变化范围，联合时频分析结果表明，同一测量位置处射流噪声的峰值频率与燃烧室压力的变化无关，而噪声幅值则依赖于燃烧室压力，实验结果对火箭燃气射流噪声场的预测提供了实验依据。     

脉冲爆震燃烧室管壁冲击冷却效果的数值研究

根据实验测量的脉冲爆震燃烧室壁温沿程分布,推算出符合脉冲爆震燃烧室特定频率下的准稳态热流阶梯分布;在此基础上,针对叉排阵列射流冲击冷却的脉冲爆震燃烧室壁面温度分布进行了数值计算.研究表明,由于冷却气流通道端壁效应的影响,靠近爆震燃烧室尾部的射流孔的冲击射流速度较大,热流最大的燃烧室尾部管壁的温度可以得到有效的降低,而燃烧室中部的射流由于受到前排射流形成的横流影响,对管壁的冲击冷却效果较弱,使得壁面温度的峰值向中部转移.在相同的环形冷却通道进口雷诺数下,阵列射流孔宜布置在脉冲爆震燃烧室中部,射流冲击间距比Z_n/d=1.5时,管壁的峰值温度最低而且整体的平均温度最小,较小的冲击孔直径对应的冲击冷却效果较好.      

突扩燃烧室湍流射流的相互作用及其对燃烧与混合的影响

本文应用κ－ε湍流模型和快速化学反应的守恒标量简化ＰＤＦ模型,对有中心射流和环状射流相互作用的突扩燃烧室内的湍流流动,混合与扩散燃烧进行了数值模拟。研究了环状射流与中心射流的速度比在较大范围内改变时突扩燃烧室内湍流回流流场的变化,揭示了较大的射流速度比对突扩燃烧室内湍流混合与燃烧的强化作用。     

超声速横向射流三维流场结构特征

为了研究超声速燃烧室内燃料与空气快速掺混过程的流场特性，基于可压缩Navier-Stokes方程，采用大涡模拟方法和高精度WENO-TCD混合格式对来流马赫数为2.68，喷压比为36的超声速横向射流流场结构进行数值研究。数值结果清晰描述了超声速主流与横向射流相互作用过程的流场结构特征，得到了三维激波形态的演变规律以及它们在强化混合过程中的作用。另外，因桶形激波背风面低压区处的斜压效应，射流气体在桶形激波背风面形成一对螺旋向上的反向涡对，反向涡对的卷吸作用诱导进入壁面边界层的主流向上运动，形成冲击射流。冲击射流以v=557m/s的法向速度向上冲击桶形激波背风面，因而在桶形激波背风面留下类三角锥面凹痕。     

喷水射流预冷对加力燃烧室特性影响分析

为了探究采用射流预冷技术之后加力燃烧室性能，开展了不同喷嘴布置方案、喷水量和来流温度对预冷效果的影响研究。对射流预冷发动机工作过程进行了简化，建立了加力燃烧室进口前段射流预冷喷水特性计算的数学模型。同时搭建了小型试验台，通过与试验结果的比对验证了该模型的准确性，并利用该模型对射流预冷效果进行了仿真预测。结果表明：提高喷嘴数量与布置均匀性能够小幅度改善预冷效果；当来流温度不变时，射流预冷喷射腔室出口处的液态水蒸发量随着喷水量的增加而提高，但蒸发率却处于下降的趋势；当喷水量达到2%时，加力燃烧室燃烧效率对比不喷水工况会有一定的提升；喷水量达到4%以后，加力燃烧室出口温度及燃烧效率随着喷水量的提高而降低；喷水量大于8%以后，恶化了加力燃烧室（V型火焰稳定器）贫油熄火极限与燃烧效率；喷水量达到最大10%时，油气比需从原来设计工况的0.052上升到0.064才能保持稳定点火且对比不喷水时工况，加力燃烧室出口温度由1860K下降到1373K，燃烧效率由80.2%下降到69.2%。     

超燃燃烧室一维释热分布模型研究

为了预估超燃冲压发动机燃烧室内的释热分布,针对带凹腔稳焰器的燃烧室,总结了射流混合情况、来流温度和当量比对释热分布影响的实验规律,提出了主燃烧区的概念和分段线性拟合的建模思路。模型被分为隔离段、横向射流、燃烧室释热分布、主燃烧区反压四个部分。通过压力前推,进行代数的迭代计算,能够快速得到燃烧室释热分布的一维模型。利用实验图像和仿真计算数据,对模型得到的释热分布与燃烧效率进行了验证,模型可适用于隔离段来流2.1马赫以上的工况,且模型结果与仿真结果相关系数达到了0.9以上。     

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.      

某重型燃气轮机燃烧室出口温度场试验研究

应用高压试验台完成了某重型燃气轮机（E级）燃用天然气燃烧室出口温度场试验与调试。试验结果表明：设计工况燃烧室出口周向温度分布系数0.254,径向温度分布系数0.131,均未达到设计指标。通过调整火焰筒掺混孔尺寸及布局,增加射流深度及掺混强度,使周向温度分布系数降为0.216,径向温度分布系数0.897,接近设计指标,达到首台试车要求 。试验成果对相关燃烧室的试验调试工作具有重要的指导和参考意义。     

基于涡流发生器原理的先进旋涡燃烧室燃烧特性研究

为了研究基于涡流发生器(VG)射流原理的先进旋涡燃烧室(AVC)燃烧及流动性能,对不同射流参数(射流前倾角α、侧倾角β、射流孔径D及射流比R)时燃烧流场进行了数值模拟。结果表明,基于涡流发生器射流原理的AVC性能优于传统射流AVC。增大α及β,可以提高燃气掺混率,增大凹腔中心湍流度,并使更多的热能转化为燃烧室出口动能,但是总压损失明显增大。增大侧倾角β可使凹腔内高温分布更均匀。随着射流孔径D及射流比R的增大,燃烧室整体温度分布先增大后减小。当α=60°,β=60°时燃烧室能够在贫燃条件下实现高温、低压降、低污染的稳定燃烧。     

横向射流对凹腔湍流特性影响的数值模拟

为拓宽先进旋涡燃烧室运用领域,探索横向射流与先进旋涡燃烧室凹腔之间的相互作用,采用数值模拟方法,研究了燃料横向射流对凹腔内旋涡结构和燃料分布的影响,以及射流对燃烧室湍流燃烧流动的作用规律。结果表明,冷态射流时,凹腔内湍流强度随射流中心距凹腔的距离增大而增大,且旋涡结构逐渐趋于均匀稳定对称;横向射流可加强燃料与空气的卷吸混合,同时加剧凹腔内质量扩散输运;射流燃烧时,凹腔内可形成高温区域,但旋涡流场由冷态时的两对旋涡结构转变为单对旋涡结构,且旋涡相对不稳定。     

套筒配合间隙对燃烧室出口温度场品质的影响

为了研究燃烧室头部涡流器套筒与冷却片配合间隙对燃烧室出口温度场品质的影响规律,分别针对0.1mm,0.15mm及0.2mm三种不同间隙宽度情况进行了燃烧室性能试验研究,并采用数值模拟方法对其影响机理进行了分析。结果表明,通过间隙的环状射流对涡流器旋转射流方向、燃烧室主燃区流场结构以及燃油质量分布均有较大影响。随着间隙宽度增加,燃烧室出口温度分布系数增加了29%,径向温度分布曲线的高温点向叶根方向的移动距离超过10%叶片高度,燃烧室出口温度场品质急剧恶化。     

旋流器结构对贫油直喷燃烧室的性能影响

针对单元贫油直喷(LDI)喷嘴的旋流器设计问题,实验研究了旋流器结构变化(改变旋流器级数、双旋流器旋向及混合段收缩角等)对燃烧室总压损失、燃烧效率以及污染物排放等性能的影响规律.结果表明:旋流器结构变化对燃烧室性能有很大影响.同向双旋流燃烧室总压损失大于与之相同计算旋流数的单级旋流燃烧室,反向双旋流燃烧室总压损失略低于同向双旋流燃烧室,燃烧室总压损失随收缩角增大而呈增大趋势.相较单级旋流燃烧室和同向双旋流燃烧室,反向双旋流燃烧室在不同贫油气比工况下均具有更高的燃烧效率和更低的污染物排放.另外,燃烧效率及污染物排放受收缩角的影响.最佳收缩角角度的选取需要综合权衡总压损失、燃烧效率及污染物排放水平.     

某重型燃气轮机燃烧室出口温度场试验

应用高压试验台完成了某重型燃气轮机(E级)燃用天然气燃烧室出口温度场试验与调试.试验结果表明:设计工况燃烧室出口周向温度分布系数为0.253 8,径向温度分布系数为0.131 2,均未达到设计指标.通过调整火焰筒掺混孔尺寸及布局,增加射流深度及掺混强度,使周向温度分布系数降为0.216 4,径向温度分布系数降为0.089 7,接近设计指标,达到首台试车要求.试验成果对相关燃烧室的试验调试工作具有重要的指导和参考意义.      

带旋流杯的模型回流燃烧室主燃孔射流研究

实验研究了带轴径向旋流杯、主燃孔和冷却气流的模型回流燃烧室在工作压力为300 kPa, 燃烧室压力损失为2.5%时主燃孔射流的特点以及其对燃烧室流场的影响.结果表明, 回流式燃烧室内外壁主燃孔射流进气方向与顺流式燃烧室不同, 即内壁主燃孔射流向流动方向下游倾斜, 外壁主燃孔射流向流动方向上游倾斜;主燃孔射流穿透深度很大, 几乎能穿透到对面火焰筒壁;中心回流区长度明显缩短, 其长度L与旋流杯出口直径D的比值(L/D)约为0.5, 而常规的顺流式燃烧室的L/D约为1.3.      

电弧加热射流O2激光诱导荧光技术温度测量

采用ArF准分子激光器作为激发光源来激励O2-Schumann—Runge带系(B^3∑^-u←X^3∑^-g)193．3nm附近的转动吸收谱线，用紫外光电倍增管探测该带系256nm附近的荧光信号，建立了ArF准分子激光器O2激光诱导荧光流场测试系统。在建立O2单带测温模型和软件的基础上，利用Schumann—Runge带系(10，2)带的荧光信号、测量了氧氩混合电弧加热射流的径向温度分布。结果表明：我们建立的ArF准分子激光器O2-LIF测试系统是成功的。     

进气装置对燃烧室内流场的影响研究

针对采用双轴向旋流器的单头部矩形燃烧室模型,利用粒子图像测速仪(PIV)技术测量了常温常压状态旋流器下游速度场,分析PIV瞬态结果,研究了上下射流之间的相互作用对流场的影响。结果表明,速度场变化剧烈,上下射流的相互作用影响回流区和二次区的形成,回流区和二次区涡的运动有明显的三维特征;同向旋流器下游速度场对称性好,回流区轴向延伸更大,主燃射流倾角更大;而反向旋流器下游掺混射流速度较大,射流穿透性更强。     

主燃孔轴向位置对低压点火性能的影响

对回流燃烧室设计了两种主燃孔结构(交错射流和对齐射流),在不同压力条件下对不同主燃孔方案的回流燃烧室的点火性能进行了试验研究.试验结果表明:随着回流燃烧室进口空气压力的降低,点火边界的油气比先减小后升高,而对齐主燃孔的火焰筒方案的低压点火性能优于交错主燃孔.结合火焰筒冷态流场数值模拟和试验中观察到的点火现象进行对比分析,对齐主燃孔方案存在更大范围的回流区,其火焰筒头部参考速度较低.此方案有利于减弱火焰核心的淬熄概率,同时增强头部火焰燃烧的稳定性,从而改善了回流燃烧室的点火性能.      

双级旋流杯结构变化对点火特性的影响研究

为了研究旋流杯文氏管和套筒结构的变化对燃烧室点火特性的影响,对两种结构不同的方案(方案A和B)进行了燃烧室点火性能试验,并对这两种方案燃烧室头部进行了气流速度场的粒子图像测速仪(PIV)测量及喷雾分布和粒径的测量。试验结果表明:旋流杯文氏管和套筒结构的变化对燃烧室的头部流场、喷雾分布和粒径有很大影响,导致了两种方案燃烧室点火性能差异很大,方案A的燃烧室头部中心回流区、旋转射流扩张角和旋流杯出口喷雾锥角比方案B小,而喷雾粒径大于方案B,方案B的点火性能比方案A有明显改善。     

逆向射流多斜孔气膜冷却的数值模拟

为了使航空燃气轮机燃烧室在高于燃烧室材料许用温度的前提下能够正常工作,需对燃烧室内壁采取冷却措施,并对变吹风比和变角度下的逆向射流多斜孔气膜冷却进行了数值模拟。在贴体坐标下划分网格,采用k-ε模型模拟湍流流动,求解气膜冷却过程的数学模型。分别改变逆向射流同主流的夹角,使其为20°、30°、45°和60,°改变吹风比的变化范围为0.5到1.5等多种条件下,对多斜孔气膜冷却效果进行了数值模拟。在所研究的范围内得到了符合规律的结论。研究结果表明,当吹风比不变的情况下,减小逆向射流角度,用有效温比表示的冷却效果相应提高。当逆向射流角度不变时,增加吹风比,冷却效果也相应提高。