乙醇-空气稀液雾值班火焰的大涡模拟研究

为加深对气液两相湍流燃烧现象的认知,检测火焰面模型在液雾燃烧中的适用性,本文在欧拉-拉格朗日架构下使用火焰面/反应进度变量模型(FPV)数值模拟了乙醇-空气稀液雾值班火焰。欧拉坐标系下的气相湍流场使用大涡模拟方法模拟,离散液相则使用拉格朗日颗粒轨道模型进行描述,考虑了相间质量、动量、能量交换。燃烧模型中采用碳元素定义混合物分数,在混合物分数方程源项中体现液相对燃烧模型的影响。模拟得到的气相温度分布和液相统计值均和实验数据较好吻合,验证了该燃烧模型对稀液雾扩散类型火焰的适用性。分析瞬时图发现,该稀液雾火焰的最高燃烧温度往往位于当量混合物分数附近,在出口下游20倍直径处火焰完全点着,此处上游FPV模型能给出局部点火熄火现象。蒸发作用在剪切层和点火区域较强,而液滴和火焰作用较弱,单一液滴很少被火焰包围。     

喷油杆和凹腔支板稳定器近距匹配的液雾分布可视化

液雾分布与稳定器的燃油布置方式、油气分配、火焰稳定及火焰传播密切相关。以RP-3为雾化介质,在来流马赫数为0.2及来流温度为10~400℃的条件下,采用高速摄影法和激光片光/照相法,对喷油杆与凹腔支板稳定器间隔31.5 mm且顺喷时的液雾分布特点进行了可视化研究,并探讨了来流温度及油气动量比对其液雾分布轨迹的影响。结果表明:顺喷喷油杆与凹腔支板稳定器近距匹配方式有利于燃油在支板前缘形成挡溅雾化;挡溅雾化后的一部分燃油在支板表面形成油膜,并在凹腔前缘与尾缘进行二次雾化,来流温度较高时高温支板表面也有利于燃油的蒸发雾化;另一部分燃油则以类似横向射流的形式进行雾化。当来流温度一定时,油气动量比增大,液雾轴向分布距离和横向穿透深度均增大;来流温度升高,液雾穿透深度增加,油气动量比对液雾分布的影响更明显。      

侧喷式一体化支板火焰稳定器液雾分布试验

在常温常压、来流马赫数为0.182及液气动量比为10～70的条件下,以水为雾化介质,采用激光片光照相法开展了侧喷式一体化支板火焰稳定器的液雾分布特点研究,并探讨了液气动量比及喷射位置对液雾分布轨迹的影响规律。研究表明:侧喷式一体化支板火焰稳定器液雾分布的外轨迹与横向射流类似,内轨迹受稳定器回流区卷吸作用的影响而弯向回流区,且在低液气动量比条件下影响显著。液气动量比是影响一体化支板火焰稳定器喷雾内外轨迹的重要因素,液气动量比增加,液雾穿透深度增加。喷射位置对液雾外轨迹的影响较小,但对内轨迹影响显著;过近或过远的喷射距离均不利于回流区对液雾的卷吸,这与液雾喷射和稳定器的近距耦合有关。     

喷雾火焰中油滴行为的试验研究

本试验研究中,应用相移-多普勒激光粒子分析仪考察了喷雾火焰中的油滴尺寸与速度分布、数密度和容积通量等沿火焰径向和轴向(火焰长度)分布和变化,估算了油滴蒸发(燃烧)常数和油雾燃烧完全度沿火焰长度分布等。     

蒸发管内燃油喷雾预热预蒸特性的数值模拟

为了提高蒸发管内燃油喷雾的蒸发速率,提高可燃混合气中燃油气相浓度,用数值模拟方法分别模拟了雾化燃油在热惰性气体中的预蒸发过程和在热空气中的预蒸发过程.数值模拟结果表明:与油雾在热惰性气体中的纯物理蒸发过程相比,由于"冷火焰"化学反应释放的热量,大大提高了燃油在热空气中的预蒸发的油雾蒸发速率和可燃混合气中的燃油气相浓度.数值模拟的结果与实验数据基本符合.     

环形燃烧室两相燃烧数值研究

根据环形燃烧室设计需要,运用计算机模拟技术研究模型环形燃烧室三维有旋液雾燃烧流场,研究两相流动与混合,液雾蒸发对燃烧过程的影响。两相流动模型采用颗粒群轨道模型,气相紊流输运方程求解采用双方程k-ε模型和EBU-Arrhenius紊流燃烧模型,热辐射采用热通量法模型,本文提供计算方法可以用来研究不同性能参数对环形燃烧室两相燃烧特性影响。     

内外函混合加力燃烧室扩压器内液雾湍流两相流场和浓度场数值模拟

 本文用κ-ε湍流模型和液雾轨道模型,对二维内外函混合加力燃烧室扩压器内有蒸发的液雾两相流动和混合进行了数值预报。其中对气相速度场和温度场的计算结果与实验符合令人满意,液雾两相流的计算结果在趋势上也是合理的,表明本文的模拟方法可用于加力燃烧室性能估算及优化设计。     

随机分布介尺度油滴群的燃烧特性

对液雾燃烧中随机分布油滴群的蒸发/燃烧特性进行了数值模拟研究,详细考虑了油滴尺寸、坐标分布、数密度等相关参数的随机性。采用一步总包反应机理对其进行大涡模拟,在不同的来流速度、环境温度下,剖析了不同数密度油滴群的阻力特性及蒸发率,并结合油滴群燃烧模态分析油滴间的相互作用规律。研究表明,油滴群燃烧模态同时包含单油滴三种油滴燃烧火焰模态；各油滴表面燃料蒸气的浓度分布呈现非对称性,反应核心区发生角度偏转；在强对流环境下,蒸发/燃烧油滴群的平均表面蒸发率与阻力系数的变化与蒸发/燃烧单油滴相似,油滴间的强烈相互作用加速了油滴群蒸发/燃烧的传热传质。      

有蒸发稀液雾冷态射流的大涡模拟研究

为研究气相湍流场中液滴弥散和蒸发过程的特点和影响因素,加深对气液耦合作用的认知,用欧拉-拉格朗日相结合的办法数值模拟了稀液雾冷态受限射流和自由射流。欧拉坐标系下的气相湍流场使用大涡模拟技术模拟,离散液相则使用拉格朗日颗粒轨道模型进行描述,考虑相间质量、动量、能量交换,采用相平衡蒸发模型模拟液相的蒸发效应。模拟得到的液相速度场、粒径分布和质量流率等均和实验数据较好吻合。有回流的受限射流中初始惯性对Stokes数大的液滴弥散影响较大,而Stokes数在1附近的小液滴弥散更受气相流场结构影响。液雾单位体积蒸发速率和液滴弥散分布密切相关。自由射流中液滴受初始惯性和受气相流场作用大体一致,大小液滴的弥散分布基本满足自相似性。     

蒸发式Z形值班火焰稳定器的点火性能

针对一种蒸发式Z形值班火焰稳定器进行了点火性能试验研究,采用高速摄影和图像处理的方法获得了不同点火位置下初始火核的生成及发展过程,并对回流区油雾分布及时均火焰结构进行分析。试验结果表明:相比传统薄膜蒸发式火焰稳定器,蒸发式Z形火焰稳定器的贫油点熄火当量比在马赫数超02时能降低311%和194%。Z形值班火焰稳定器具有双燃烧反应区特征,点火位置影响初始火核的形成,当第二反应区对火核生成起主导作用时值班火焰稳定器的点火性能较好、火核发展较快。点火位置位于Z形槽下拐角附近时能获得较好的点火性能,而靠近回流区与主流交界面时点火性能较差;同时低温高速条件下低燃油蒸发率导致的燃油分布不均会带来点火性能的展向差异。     

微小“T”型蒸发管蒸发率实验

研究了微小尺寸"T"型蒸发管燃油蒸发率在不同工况下的变化规律.实验中蒸发管入口空气常压.实验研究了气油比、蒸发管入口空气温度、蒸发管壁温度和蒸发管入口空气流速对蒸发率的影响.试验结果表明, 气油比、蒸发管入口空气温度和蒸发管壁温是影响蒸发率的主要因素.蒸发管入口空气流速对蒸发率的影响较小.该蒸发管在管壁和进口空气同时加温, 并且气油比大于4.5的条件下, 蒸发率接近100%, 蒸发效果好.      

直射式双旋流空气雾化喷嘴的雾化效果

介绍了一种直射式供油的双旋流空气雾化喷嘴的喷雾性能.该双旋流器采用旋向相反的径向开孔式设计,在常温常压下进行喷雾试验,研究了不同空气压力降和气液比工况下液雾的索太尔平均直径(SMD)及分布指数.试验中雾化液体为航空煤油,采用马尔文激光测雾仪测量喷嘴端面下游50mm处的液雾分布.研究结果表明:随着气液比的增加,SMD减小,分布指数也减小,并且存在一个关键气液比,在超过关键气液比的工况下,液雾的SMD及分布指数变化很小.     

周期供油气动雾化喷嘴喷雾特性试验研究

为满足小型无人机用活塞发动机对航空煤油雾化效果的要求,设计了某新型气动雾化喷嘴并进行了雾化性能试验研究。该喷嘴的结构主要由电磁直射喷嘴、气一液混合室和空气喷嘴3部分组成。试验分别对电磁直射喷嘴和空气喷嘴进行了流量标定,研究了喷油脉宽t1、时间延时t2、喷气脉宽t3和喷气压力对燃油雾化性能的影响,得出喷油脉宽减小、喷气脉宽增加、喷气压力增大均可提高雾化质量,最佳值处于t1=2ms,t2=1ms,t3=5ms时,此时DSH〈10um。     

Development of a micro gas turbine combustor with T-type vaporizers

The study includes the experimental investigation of the evaporation performance of T-type vaporizer,mainly studied the relationship of the inlet air temperature and vaporizer wall temperature with the evaporation ratio.Then,it studied the LBO(lean blow out) and combustion efficiency of the micro aero-engine combustor with T-type vaporizer on the normal pressure test rig.The inlet air condition is environmental pressure and temperature.The gas analysis method is used to study the combustion efficiency,and the inlet air temperature is 300 K,400 K and 500 K.It could be concluded that the evaporation performance is improved with the increasing of the inlet air temperature and vaporizer wall temperature;the average LBO is 0.003;the combustion efficiency rises with the inlet air temperature,and it remain constant when the fuel/air ratio changed in the range from 0.008 to 0.02.The vaporization ratio is the key factor to determine the combustion performance.      

离心式同向双旋流器空气雾化喷嘴雾化特性研究

对一种组合式的离心式同向双旋流器空气雾化喷嘴喷雾特性进行研究.双旋流器采用旋向相同的径向开孔式设计,在常温常压下试验,研究不同空气压力降和喷嘴供油压力工况下液雾的索太尔平均直径及分布指数.试验中以航空煤油为介质测试其雾化性能,采用马尔文激光测雾仪测量喷嘴下游50 mm处的液雾分布.结果表明:随着空气压力降和喷嘴供油压力的增大,索太尔平均直径减小,分布指数增大,推导了在空气压力降Δp/p＞3%和Δp/p＜3%两种工况下索太尔平均直径计算模型.      

蒸发管蒸发及雾化特性

为了研究某型发动机中的Γ型蒸发管的蒸发性能,在进口空气为常压条件下进行实验研究.实验采用燃气加热,模拟实际蒸发管工作环境.实验研究气油比、进口空气温度以及蒸发管管壁温度的变化对蒸发管燃油蒸发率及出口索太尔平均直径SMD(Sauter mean diameter)的影响.实验结果表明:气油比(AFR)、蒸发管空气进口温度及蒸发管壁温对蒸发率及SMD都有着很大的影响,气油比的增大和空气进口温度的增大以及蒸发管壁温的提高都会导致燃油蒸发率的增大和出口SMD直径的减小,而三者中壁温的作用最为显著.      

周期性供油气助雾化直喷喷嘴雾化特性试验

对一种典型的周期性供油气助雾化直喷喷嘴的雾化特性进行试验研究,分析总结了喷油脉宽、间隔时间、喷气脉宽以及空气压力对雾化性能的影响规律.试验中使用RP-3航空煤油作用工质,使用压缩空气作为介质;用激光粒度分析仪对油雾场进行测量并进行处理分析;喷油脉宽与喷气脉宽变化范围为2～8ms,间隔时间为-2～5ms,空气压力为0.1～0.65MPa.研究结果表明:随着气油比的增加,索太尔平均直径减小,均匀程度增加,雾化性能提高;增加空气压力,可以使空气密度增加,加大空气与燃油的气动作用力,有利于雾化性能的提高;增加间隔时间也可使雾化性能有小幅度的提升;在较大的平均粒径下,更加分散的粒径分布仍然可以具有较大的均匀度分布指数.对试验数据进行分析,在较高空气压力下,得到了该周期性供油气助雾化直喷喷嘴的平均粒径的经验计算模型.      

扇形喷嘴燃油浓度场试验研究

 在常压和气流速度 Va=5 0～ 90 m/s、气流温度 T=2 83～ 673K、油压 Pf=0 .2～ 0 .8MPa,下游距离 x=1 0 0～ 1 90 mm的条件下 ,对某扇形喷嘴下游燃油浓度分布的影响进行了试验研究。试验表明 ,扇形喷嘴油雾场的纵向分布呈扇形 ,横向分布与直流式喷嘴侧喷类似。当气流速度减小、气温降低、油压升高或下游距离增大时 ,都会引起燃油分布范围及穿透深度增加     

注气离心喷嘴喷注过程稳定性试验

为了解管路注气对补燃循环液氧煤油发动机预燃室煤油离心喷嘴喷注过程稳定性的影响，在大气环境下开展了敞口型离心喷嘴注气时喷注过程稳定性试验。使用注气装置在离心喷嘴的上游供应管路中注入空气，通过高速相机记录管路内的两相流特征和喷嘴喷注过程的振荡特征，采用图像区域亮度分析方法定量评估喷注过程的振荡强度。研究发现：注气能显著改变敞口型离心喷嘴的喷注雾化过程及稳定性特征；注气后雾化液膜破碎距离缩短且喷雾角减小，喷注过程出现明显的振荡并伴随Klystron效应；管路内两相流的气泡尺度较大且切向孔较小时，喷注过程的振荡幅值较大；随着注气量增加，喷注过程的振荡频率降低；气泡尺度及两相流型对离心喷嘴喷注振荡过程的影响与普通气泡雾化喷嘴的显著不同，柱状流型时离心喷嘴喷注过程出现1~3 Hz流量振荡且可能间歇性断流。气泡对切向孔的间歇性堵塞作用可能是喷注过程振荡及Klystron效应的原因。     

高密度喷气燃料和常规燃料的油雾场对比试验研究

本文利用脉冲激光全息技术测量了直流喷嘴侧喷下游的高密度喷气燃料和常规喷气燃料的油雾场。获得了各种油滴直径,索太尔平均直径及燃油浓度的空间分布规律,讨论了气流速度、燃油出口压降对油雾场的影响,并对两种燃料的油雾场进行了比较。