强旋-V型钝体组合燃烧装置绕流实验研究

为了探明强旋流对钝体绕流旋涡脱落规律的影响,利用PIV速度场仪和高频动态压力传感器等测量仪器研究了强旋-V型钝体组合稳燃装置中旋流器出口安装位置对旋涡脱落频率和尾流流场的影响规律。实验结果表明,当旋流器出口位置安装在钝体内部时,可获得较小的旋涡脱落频率。随着旋流器安装位置向钝体出口方向逐渐移动时,旋涡脱落频率增大。当旋流器出口置于钝体外部时,将破坏钝体剪切旋涡的几何特征,从而导致钝体旋涡脱落机制的改变。另外,当旋流体积流量控制在一定范围(0~1m~3/h)内,增大旋流流量有助于减小钝体绕流剪切旋涡的脱落频率,对比无旋流时的V型钝体绕流,当旋流流量为1m~3/h时,旋流器出口位置位于钝体尾缘内部1倍开口直径处的V型钝体绕流St数下降幅度最大,约为34.96%。一定范围内的旋流同样有利于扩大回流区,在旋流流量为0.5m~3/h时回流区长度达到最大,约为钝体开口直径的2.3倍。但当旋流体积流量过大时,将导致下游流动恶化,钝体的火焰稳定性能可能会急剧下降。     

折叠V形钝体火焰稳定器原型的稳燃机制研究

为了掌握折叠V形钝体这一新型火焰稳定器的稳燃机制,采用风洞实验与混合雷诺平均/大涡模拟结合的方法对常压条件下10组不同折叠角的折叠V形钝体火焰稳定器原型进行了冷态实验与热态数值模拟研究。其中冷态实验风速10~50m/s,热态数值模拟工况为进气温度700K、来流速度50~150m/s,当量比0.3~1。通过PIV实验测得了折叠V形钝体回流区冷态流动特征,并结合数值模拟方法研究并讨论了折叠V形钝体绕流尾迹区旋涡特征;通过数值模拟研究了燃烧条件下、折叠V形钝体下游槽向驻涡结构发展变化规律。研究初步探明折叠V形钝体总压恢复系数、阻力系数、抗吹熄能力与燃烧效率优于标准钝体的原因,并发现折叠角角度较小的折叠V形钝体,尾迹中心区域无典型回流区,但仍能通过槽向驻涡结构形成驻涡稳燃速度型,该速度型有利于冷态绕流流速的恢复与热态燃气的加速。     

带收敛出口的单元贫油直喷燃烧室冷态和热态流动特性研究

为了研究贫油直喷燃烧室的流动特性,提出了带有收敛出口的单元贫油直喷燃烧室模型,采用数值模拟方法研究了旋流角度分别为35°,38°,40°和45°共四种模型在冷态和热态条件下的流动特性,获得了旋流角度和燃烧释热对旋流器收敛出口截面速度分布、旋流数和下游中心回流区形态的影响规律。结果表明:在冷态条件下,随着叶片角度的增加,旋流器收敛出口截面的速度分布从"内高外低"型转变为"外高内低"型,并且"外高内低"型的速度分布更有利于形成回流区;除35°旋流角以外,其他模型都能形成驻定的中心回流区。在热态条件下,燃烧释热对弱旋流流动的影响十分明显,35°旋流角收敛出口速度分布由"内高外低"型转变为"外高内低"型,在其下游形成了驻定的中心回流区,说明燃烧释热可以促进旋流流动向涡破碎方向发展;燃烧释热对冷态下已形成回流区的流动影响不大,但气体的膨胀加速会加快燃烧室内部逆压梯度的消失,导致热态回流区尺寸和长度略小于冷态回流区。     

反向双旋涡流器受限火焰特性的流场分析

分析了反向双旋涡流器受限燃烧火焰特性所对应的流场结构特征.研究发现：反向双旋涡流器流场结构随着受限比变化而发生变化.在受限比小于3.8时,流场上中心回流泡随着受限比增大而变长,与单级旋流涡流器流场上中心回流泡的生长规律相同;但受限比的继续增大,反向双旋涡流器流场上中心回流泡的生长则表现出不同于单级旋流涡流器的规律.单级旋流涡流器流场上中心回流泡会继续生长变长,而反向双旋涡流器流场上中心回流泡会在中间某位置出现分裂,呈现出前后两个不同的回流泡.该研究结果深化了对受限程度影响流动和燃烧的物理机制的认识,同时为反向双旋涡流器的优化设计提供指导.     

三维钝体结构风压分布与绕流特性的大涡模拟研究

针对风场作用下三维钝体结构的绕流特性与空间风压分布特性,采用大涡模型对其进行了数值模拟研究,以平均风速和脉动风速作为入口边界条件,在稳态分析的基础上对9种不同来流方向的工况进行了瞬态动力分析,再现了钝体绕流的冲撞、分离、重附着等现象,揭示了钝体绕流主、次涡循环区的形成、发展机理,提出了空间风压场分布的一般规律。研究表明:钝体绕流对流场风速剖面影响的强弱程度依次为尾流区、屋顶区、来流区,且对中心区域流场风速剖面的影响要大于两侧流场,并由中心区域向两侧逐渐减小;来流区钝体绕流特性与空间风压分布特性较屋顶区和尾流区稳定,尾流区涡旋的非对称生成、脱落对钝体左右两侧流场的冲撞、分离、重附着等具有重要的影响;来流方向与钝体呈45°或135°夹角时,对尾流风场的影响范围最小,但随着来流方向逐渐垂直于钝体,尾流影响区域也逐渐增大。     

高速压气机叶栅旋涡结构及其流动损失研究

为揭示高亚声速来流条件下压气机叶栅内部流动特性,对高速压气机叶栅通道内旋涡结构和流动损失的产生与演变规律进行研究。首先建立了数值仿真模型并用实验验证,然后详细研究了叶栅通道内主要旋涡结构、拓扑规律和旋涡模型,最后分析了叶栅通道内流动损失与旋涡结构的内在联系。高速压气机叶栅通道内主要存在马蹄涡、端壁展向涡、通道涡、壁角涡、壁面涡、集中脱落涡和尾缘脱落涡7个集中涡系,通道涡由端壁来流附面层中发展而来,是角区复杂旋涡结构的主要诱因;攻角由0°增大为4°,通道涡的涡核更早地脱落端壁附面层向角区发展,但对角区流动的影响减弱,叶片尾缘未形成明显的集中脱落涡。伴随着集中脱落涡的消失,叶栅固壁面拓扑结构中,叶片尾缘吸力面上没有出现与集中脱落涡对应的分离螺旋点,并且与叶中脱落涡层相对应的分离线和再附线消失,尾缘脱落涡仅包含近端区的一个分支。由总压损失沿流向和展向的变化规律,叶栅通道流动损失主要来源于角区复杂旋涡结构引起的强剪切作用,近端壁区的总压损失与角区主要涡系结构的生成和发展密切相关;攻角由0°增大至4°,角区旋涡的影响能力变弱,近端区流动损失减小,与叶中部位总压损失的差异缩小。     

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.      

NACA0012翼型低雷诺数绕流的实验研究

通过水槽氧气泡流动显示和PIV测速实验研究了NACA0012翼型在雷诺数为8200时的流动特性,重点炎注了翼型绕流结构随迎角的变化。研究发脱：分离点和分离翦切层形成旋涡的位置随迎角的增大而向上游移动,同时翼型上表面流动分离后形成的回流区尺寸随着翼利迎角的增加而增大。当流动再附于翼型上表面时,在再附点附近能够观测到展向涡的三维演化过程,并能观测到展向涡的局部配对现象。     

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。     

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.     

Combustion instability of pilot flame in a pilot bluff body stabilized combustor

Combustion instability of pilot flame has been investigated in a model pilot bluff body stabilized combustor by running the pilot flame only. The primary objectives are to investigate the pilot flame dynamics and to provide bases for the study of the interaction mechanisms between the pilot flame and the main flame. Dynamic pressures are measured by dynamic pressure transducers. A high speed camera with CH*bandpass filter is used to capture the pilot flame dynamics. The proper orthogonal decomposition(POD) is used to further analyze the high speed images. With the increase of the pilot fuel mass flow rate, the pilot flame changes from stable to unstable state gradually. The combustion instability frequency is 136 Hz when the pilot flame is unstable. Numerical simulation results show that the equivalence ratios in both the shear layer and the recirculation zone increase as the pilot fuel mass flow rate increases. The mechanism of the instability of the pilot flame can be attributed to the coupling between the second order acoustic mode and the unsteady heat release due to symmetric vortex shedding. These results illustrate that the pilot fuel mass flow rate has significant influences on the dynamic stability of the pilot flame.     

旋流突扩燃烧室中回流区的嵌套结构

本文探讨了一种综合旋流器和钝体结构特点设计的新型旋流室,并对双股同轴中心旋流突扩燃烧室模型进行了冷和热态试验。试验结果揭示了一个新的物理现象,即旋流器造成的旋流室回流区与钝体形成的突扩燃烧室中心回流区嵌套在一起。热态初步试验表明,该现象的存在能提高突扩燃烧室贫、富油工况的燃烧效率.      

气体燃料气动火焰稳定器混合特性的初步研究

为了克服航空发动机加力燃烧室传统钝体火焰稳定器存在的流阻较大、燃烧效率较低和红外辐射偏大的缺点,设计了一种气体燃料气动火焰稳定器,通过喷射气体燃料射流形成气动屏障来产生回流区从而稳定火焰,并采用数值模拟计算和实验测试的方法研究了气体燃料火焰稳定器的混合特性。数值模拟计算表明气动火焰稳定器掺混速度快,可在回流区内形成余气系数比较均匀的混合物,且回流区内余气系数分布随来流和射流的参数变化基本保持恒定不变,实验结果证实了数值模拟的结果,并表明采用气动火焰稳定器的燃烧效率较高,部分工况可达98%以上,可为加力燃烧室火焰稳定器的研究和设计提供参考和依据。     

模型预混燃烧室燃烧不稳定性研究

针对钝体火焰稳定器结构的模型预混燃烧室的燃烧不稳定性现象进行了实验研究和数值模拟.实验中利用动态压力传感器测量了不同当量比时燃烧室内动态压力的频率和振幅.结果表明:随当量比增加,不稳定性频率从251Hz增加到258Hz.不稳定性振幅与大气压力比值从2.7%增加到6.1%.对燃烧室进行了定常和非定常数值模拟以及声学模态分析,得到了周期性旋涡脱落的频率为260Hz和燃烧室系统的前5阶本征声学模态频率.其中第3阶纵向声学模态频率与实验值基本一致,说明维持不稳定性的机理为钝体火焰稳定器后旋涡的周期性对称脱落和燃烧室系统的第3阶纵向声学模态形成了耦合.     

双旋流燃烧室冷态流场试验研究

文献[1]和[2]提出的同轴双旋流方案,从燃烧室前端供入燃烧与掺混空气,形成“中心回流区”和“环状回流区”,在两股反向气流交界处,紊流度高,扩散燃烧快,对缩短火焰筒和均匀出口温度场有利。掺混空气量随加温比提高而减少,表明未来高性能燃烧室的头部供气比例较高,因此深入研究这类燃烧室的流动规律,对发展高性能发动机有重要意义。本文重点研究内外旋流角的大小和方向对流场的影响,寻求内外旋流角的较佳配合。     

有限旋转气流的切向速度特性分析

已有的试验结果表明：有限旋转气流的切向流速，在旋流器出口头部区域常出现双峰分布，本文分析了出现此现象的两种情况，认为有内外两个旋涡交织在一起所形成的复合涡是切向速度出现双峰分布的根本原因，并根据涡运动基本理论，提出了复合涡的理论模型；对无回流旋转区段，具有中心回流区段，和复合涡回流区段的切向速度分布进行了分析。     

火焰稳定器相对参数对水冲压发动机燃烧及其内流场的影响

在水冲压发动机燃烧室中设置钝体火焰稳定器,可使部分已燃高温燃烧产物在火焰稳定器后部的回流区内不断点燃新鲜的可燃混合物,从而实现稳定高效燃烧。通过改变火焰稳定器相对金属燃料入口高度及相对一次进水位置,对比分析了相对入口高度和相对一次进水位置两种不同相对参数对于燃烧室内掺混、燃烧以及火焰稳定效果的影响。结果表明:当相对高度$H>\mathrm{1}$时,燃烧火焰无法稳定在回流区。当火焰稳定器相对位置不变时,在一定范围内,随着相对高度$H$减小,火焰稳定效果增加,且存在较优的相对高度($H=\mathrm{1}$)使燃烧室内的掺混效率和火焰稳定效果较好。当保持相对高度$H=\mathrm{1}$不变的情况下,综合考虑火焰稳定效果、铝/水掺混效率以及发动机工作性能,$L=\mathrm{0.5}$是较为理想的火焰稳定器相对位置。      

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。     

加力燃烧室流场形态与振荡燃烧数值模拟

利用数值方法对发动机加力燃烧室内的流场形态和振荡燃烧进行模拟,获得流场平均参数及涡系结构,观察到燃烧室内火焰稳定器唇口附近剪切涡对选择模型的敏感性,发现火焰稳定器后的涡脱落和回流区的周期性变化是引起加力"蜂鸣"现象和振荡燃烧的重要因素,证明了Rayleigh准则在研究此类问题时的适用性.