基于PIV技术对三级旋流杯燃烧室流场的测量

参照单级旋流器设计方法,设计4种三级旋流杯中不同叶片数和叶片安装角第三级旋流器,采用particle image velocity(PIV)技术对三级旋流杯燃烧室流场进行研究.研究结果表明:随着第三级旋流器叶片安装角和叶片数的增加,主燃区的轴向速度逐渐变小,使得主燃孔射流作用增强;在同样叶片数情况下,增大第三级旋流器叶片安装角,使旋流强度增强;对于第三级旋流器不同安装角、第三级旋流器叶片数增加都使轴向速度变化趋于平缓,使燃烧室内主流受主燃孔射流扰动影响较小,流动更平缓.      

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。     

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.     

双旋流器单头部模型燃烧室冷态流场试验

利用PIV(Particle image velocimetry)技术对双轴向反旋旋流器、单头部、矩形模型燃烧室内的冷态流场进行了试验研究.分析了燃烧室的纵向截面、横向截面上的流场结构以及旋流器参数对回流区尺寸的影响.研究结果表明:双旋流燃烧室的流场为不规则的结构,中心轴上下两个涡不对称,各主燃孔气流穿透深度也不相同,流场中存在流向涡;减小一级旋流器流通面积、旋流数,或增大二级旋流器的旋流数,可增大回流区的尺寸,而增大二级旋流器流通面积,回流区的尺寸会减小.      

弱旋流对LPP燃烧室下游流场影响的数值研究

为了解弱旋流燃烧下游的流场特性及其对贫油预混预蒸发(LPP)燃烧室的影响,采用数值模拟方法,对6种不同旋流器流道特征的弱旋流燃烧室三维冷态流场进行数值模拟。结果表明,旋流器流道特征对下游流场特性产生较大影响,不同叶片通道的旋流器下游中心回流区的形状、尺度、速度梯度和全流场速度分布均呈现出不同特征。主模旋流器旋流数低于0.51时,中心回流区基本相同且尺度较小,主要由副模旋流控制;主模旋流器旋流数增至0.59时,旋流器下游形成了由主模旋流控制的更大的中心回流区。     

固体燃料冲压发动机旋流冷流流场数值模拟

为了研究固体燃料冲压发动机(SFRJ)旋流流场特性,设计了一种轴向斜孔式旋流器,推导出旋流数计算式.使用数值模拟的方法计算了不同斜孔角与不同背压下的燃烧室旋流冷流流场,研究了旋流数、旋流流场结构以及总压损失等内容.旋流器出口旋流数的理论计算值与数值计算值相比差别较小,可以满足工程需要.可通过改变斜孔角度、背压等参数改变燃烧室入口旋流数,燃烧室内中心回流区与突扩台阶回流区的总压损失最大.      

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.      

双级轴向旋流器性能评估方法（二）——旋流器下游几何结构的影响

开展了双级轴向旋流燃烧室反应流场和燃烧性能的理论与数值研究。通过数值模拟研究了旋流强度与旋流器下游（套筒）几何结构对于燃烧室反应流场与燃烧性能的影响规律。结果表明:当旋流强度低时,旋转气流倾向脱离套筒喉部附近的壁面,形成类似喷射的流动;套筒扩张角越大,旋流强度增幅越大;当扩张半角为30°～70°时,气流扩张角随套筒扩张半角增加而增大。研究发现:存在临界套筒扩张半角为73°,大于该临界角时,气流与套筒发生“脱体”现象。通过理论推导与数值仿真相结合的方法,发展建立了套筒出口气流扩张角估算公式。通过与实验及数值结果比较发现,该公式能够对旋流器出口近场气流发展进行准确预测,为未来旋流器的设计提供了一种实用有效的方法。      

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.     

文氏管对旋流流场影响的数值研究

为了研究文氏管对旋流流场的影响,将文氏管+套筒组合的旋流器,通过与无文氏管的旋流器、带内文氏管的旋流器和带外套筒的旋流器这三种结构的性能对比发现,文氏管不仅对旋转射流起到过渡作用,使速度场周向分布均匀,而且对射流速度大小起到一定的调节作用;文氏管的存在可以使流场局部湍动能增大,但因文氏管结构的差异会造成旋流强度不同程度的变化,引起回流区尺寸变化;文氏管+套筒组合的旋流器不仅能提供较强的旋流流场,使火焰筒内回流区面积较大,而且对燃烧室进气压力的调节范围也较广,一定范围内能保证流场结构的稳定;此外,套筒扩张角的增大能促进回流区的径向扩张,使回流区宽度增大;存在一个临界的内文氏管扩张角57°,使文氏管+套筒组合的旋流器流场回流区结构出现分离,形成两个独立的回流区。     

基于CFD分析改进三旋流燃烧室头部设计

利用FLUENT,对一多级旋流燃烧室的冷态单相流场进行了数值模拟,基于该流场结果,对该燃烧室头部控制油雾混合的三级涡流器唇口处进行了改进设计。并对两种方案的燃烧室在相同试验条件下进行了贫油熄火油气比、大功率工作时的冒烟指数进行了实验研究。对方案1燃烧室单相冷态流场的结果表明,该燃烧室内部流场和预想的流动组织有较大差别,三级旋流器出口的气流,迅速向径向流去,主燃区的回流区结构不明显,且二级旋流出口和三级旋流出口之间有小回流区。该流场结构解释了方案1燃烧室有很好的贫油熄火性能,但是冒烟指数较高。方案2燃烧室的流场结构,改变了三级旋流出口气流方向,消除了与二级旋流器之间的小回流区。方案2燃烧室在与方案1燃烧室相同试验条件下的实验结果表明,贫油熄火油气比性能下降了7.3%,但发动机大功率时冒烟排放指数改善了29.4%。基于数值分析的燃烧室设计,使燃烧室扩大稳定工作范围的研究取得了进展。     

双级旋流器燃烧室的数值模拟

针对所研究的双旋流器的结构特点,采用四面体非结构网格划分方法,生成单、双旋流器头部燃烧室的网格计算模型,对单、双旋流器燃烧室的流场、温场进行了计算,较为详细地分析了双旋流器头部燃烧室的优点.双旋流器燃烧室能改善雾化效果,提高燃烧效率.其计算结果为双旋流器头部燃烧室的设计提供了理论依据.     

Effect of boundary conditions on downstream vorticity from counter-rotating swirlers

Particle image velocimetry(PIV) is utilized to measure the non-reacting flow field in a reflow combustor with multiple and single swirlers. The velocity field, vortex structure and total vorticity levels are experimentally obtained using two different boundary conditions, representing a single confined swirler and multiple swirlers in an annular combustor. The influence of the boundary conditions on the flow field at several locations downstream of the swirlers is experimentally investigated, showing that the central vortex in the multi-swirler case is more concentrated than in the single-swirler case. The vorticity of the central vortex and average cross-sectional vorticity are relatively low at the swirler outlet in both cases. Both of these statistics gradually increase to the maximum values near 20 mm downstream of the swirler outlet, and subsequently decrease. It is also found that the central vortex in the multi-swirler case is consistently greater than the single-swirler case. These results demonstrate the critical influence of boundary conditions on flow characteristic of swirling flow, providing insight into the difference of the experiments on testbed combustor and the full-scale annular combustors.     

燃烧室流体损失的试验研究

本文研究了燃烧室扩压器、涡流器、火焰筒各元件以及燃烧加热等流阻的计算方法。在试验研究基础上,整理出流阻的计算方法和流阻系数经验公式,可供今后燃烧室方案设计和燃烧室方案调试比较使用。研究的模型有 4种扩压器 (等压力梯度型面扩压器和突扩扩压器 );10种涡流器 (弯叶片和直叶片式涡流器,径向涡流器,小孔进气头部装置 );7种火焰筒 (环管燃烧室,环形燃烧室 );以及 7块进口流场畸变模拟板等。      

数值研究涡流器对环形燃烧室燃烧性能的影响

数值研究不同类型涡流器对环形燃烧室流场与性能的影响.采用分区耦合方法分别生成两级轴向、斜切径向及三级轴向涡流器的环形燃烧室的结构化网格,在任意曲线坐标系下对带有扩压器、涡流器、火焰筒和内外环冷却通道的三种环形燃烧室三维两相燃烧整体流场进行计算,气相和液相分别采用Euler与Lagrange法处理,采用多维/经验分析法估算燃烧室性能.计算与实验比较相符表明,可利用本文计算方法预测不同涡流器对燃烧室流场和燃烧室性能的影响.      

RQL模型燃烧室数值研究

以截面积为矩形截面的RQL模型燃烧室为研究对象,采用数值模拟方法分别研究了旋流器各参数（如出口角θ、轮毂与流路外径比z和旋流器间距）和淬熄段射流孔参数（如孔数和射流孔截面积）对模型燃烧室流场、温度场以及NOx排放值的影响。在数值模拟中采用的模型包括Realizable κ-ε湍流模型、非预混燃烧模型、热力型NOx和瞬发型NOX等。通过对模拟结果进行比较分析得出结论：当模型燃烧室采用间距为69mm、θ=30°、z=0．68的旋流器和总面积为635．85mm。的12个淬熄射流孔的结构时,可以在满足燃烧室基本性能的前提下实现低污染排放。     

双级轴向旋流器性能评估方法（一）——综合旋流强度的影响

开展了双级轴向旋流燃烧室反应流场和燃烧性能的理论与数值研究。发展建立了一种多级旋流器性能评估方法,提出了综合旋流强度和能量利用率两个准则数来对旋流器性能进行评估,研究发现,旋流强度和流阻系数是影响旋流器能量利用率的主要因素。采用数值方法研究了双级旋流之间的相互作用机理,结果表明:双级旋流器之间,一级旋流强度对回流区宽度影响较大;综合旋流强度是影响燃烧室整体性能的直接因素;当综合旋流强度小于0.43时,为弱旋流;综合旋流强度介于0.43～0.6之间时,为中等旋流,有十分弱小的回流区;当综合旋流强度大于0.6时,呈强旋流,一定会有回流区出现;当综合旋流强度大于1.03时,为非常强的旋流;综合旋流强度一定时,双级旋流能够增加收益,能量利用较好。通过与实验及数值结果比较发现,该多级旋流器性能评估方法能够对旋流器性能进行准确评估,为未来多级旋流器的设计与性能评估提供了一种实用有效的方法。      

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。