双旋流燃烧室主燃区流动特性PIV测量和分析

针对采用斜切径向双级旋流器的环形燃烧室单头部矩形模型,利用非接触式测量方法粒子成像测速仪(PIV)测量了主燃区的300K冷态速度场。采用Realizableκ-?湍流模型和稳态层流火焰面燃烧模型对燃烧室的冷流和燃烧流场进行数值模拟,得到燃烧室流场的速度分布和流场结构,并与试验测量数据进行对比验证。结果表明:瞬态流场结构变化剧烈,旋流和主燃射流的边界形成大量小尺度漩涡结构,回流区具有强烈的搅拌作用,回流区下游滞止点位置是随机变化的;反向旋流器比同向旋流器产生的回流区尺寸更小,燃烧状态的回流区尺寸比冷流的小,但主要受火焰筒壁面和主燃射流的约束;外旋流在距离头部5mm距离内控制内旋流,保持旋向相同;燃烧增大主燃射流穿透深度,改变流场的对称性。     

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。     

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。     

贫油预混预蒸发低污染燃烧室流场特性试验

采用粒子图像测速(PIV)技术测量带双环旋流多点燃油直接喷射(TAMI)头部的贫油预混预蒸发(LPP)低污染燃烧室流场特性,试验相同进口条件下冷态及喷雾燃烧时流场结构,通过分析平均流场涡量、湍流强度及切应变率等特性参数来详细说明喷雾燃烧对贫油预混预蒸发(LPP)低污染燃烧室流场的影响,并且研究了不同进口参数对其燃烧流场的影响.试验结果表明:①装有此头部的LPP低污染燃烧室喷雾燃烧流场回流区比冷态流场要小,并且平均流场特性参数在燃烧前后变化比较大;②随着进口油气比增加,中心回流区变短变胖;③随着进口空气量增加,回流区变窄变长.本试验所获得的流场特性结果可为低污染燃烧室的设计提供了一定的参考.      

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.      

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。      

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。     

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。     

第2级径向旋流器旋流数对燃烧室点火和贫油熄火性能的影响

双级旋流器是航空发动机燃烧室头部产生回流区所采用的主要形式,研究主要考察第2级径向旋流器的旋流数对点火与燃烧稳定性能的影响,数值模拟结果能够较好地匹配第2级径向旋流器设计参数.试验研究表明:第2级径向旋流器旋流数的改变对燃烧室点火性能无影响;但减小该旋流数会对贫油熄火性能产生明显地改善,旋流卷吸效果会影响回流区火焰稳定.减小第2级径向旋流器旋流数,使下游卷吸量增加,回流区流动与火焰匹配更好,更有利于燃烧稳定性的提高.      

3旋流燃烧室头部冷态流场数值计算与试验验证

为了探究单管燃烧室壁面开设光学观察窗与3维倾斜冷却孔对燃烧室冷态头部流场结构的影响规律,利用CFD软件对某型发动机单头部燃烧室结构及简化结构的流场特性进行数值计算,并利用粒子测速仪（PIV）对开设光学观察窗的单管燃烧室头部冷态流场进行了试验验证。结果表明：单管燃烧室冷态流场数值计算结果与PIV测量结果基本相同,验证了数值计算的准确性。燃烧室进口空气流量的增加不影响燃烧室回流区的大小;单管燃烧室壁面冷却孔的布置位置对冷态流场中心回流区几乎无影响;在单管燃烧室水平方向壁面上开设光学观察窗,对水平方向的回流区影响较大,而垂直平面上的回流区几乎不受影响。     

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.      

双旋流模型燃烧室的燃烧特性

同轴双旋流进气能建立起有利于燃烧的流场,文献[1]的结果表明,同轴的内外两股旋流反向旋转时,边界层内的紊流强度和雷诺应力很高,对强化混合和燃烧有利。据文献[2]报导,用这种双旋流改装了JT-8D火焰筒,取消了火焰筒上的主燃孔与掺混孔,试验实测的慢车状态燃烧效率高达99%。表明这种燃烧室方案在燃气轮机和工业燃烧装置中有着广阔的应用前景。本文重点研究两个径向式叶片旋流器在同轴反向旋转条件下的燃烧特性,包括燃烧效率、熄火边界和出口温度场等。      

喷嘴间距对贫油熄火特性和流场结构的影响

为深入认识喷嘴间距对燃气轮机燃烧室贫油熄火和气动性能的影响,基于典型的双旋流扩散燃烧喷嘴设计了喷嘴位置连续变化可调的双头部模型燃烧室。实验测量了不同初始当量比条件下喷嘴间的最大传焰距离,分析了火焰传播的动态过程;此外还研究了喷嘴间距对贫油熄火当量比、反应流场和方均根速度场的影响。实验结果表明:当量比每增加0.1,无量纲最大联焰间距增大0.2左右,并且喷嘴间的联焰过程大致可分为四个阶段;单喷嘴的贫油熄火当量比大于任意喷嘴间距下双喷嘴的贫油熄火当量比;随着喷嘴间距的减小,贫油熄火当量比先减小后增大;另外,喷嘴间距减小导致射流合并,气流径向速度抵消变小,中心射流速度峰值增大以及回流区尺寸缩小;随着喷嘴彼此靠近,喷嘴间的方均根速度变大,分布区域变广。      

采用flamelet模型分析旋流杯燃烧室近贫油熄火点

针对进口温度388 K不变,不同进气速度下对旋流杯燃烧室常压模化实验得到的贫油熄火油气比数据,采用带有详细化学机理的非预混flamelet燃烧模型进行数值模拟,对近贫油熄火点的局部热态流场进行了分析.结果表明:近贫油熄火点时刻,随着油气比的下降,回流涡旋中心和高温度区分离,回流区内气流温度下降,着火点后移,点火距离增加;进气速度的增加和燃油流量的下降,使得回流区回流量增加,回流涡旋中心两侧温差加大,而着火点更靠后,增加了对这种变化的耐受性.      

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。     

液体中心式气液同轴离心式喷嘴火焰振荡特性

气液同轴离心式喷嘴在特定的结构和工况下极易发生自激振荡,为了探究自激振荡对燃烧过程的影响,针对液体中心式气液同轴离心式喷嘴,开展了氧气和酒精的可视化燃烧试验研究。基于非接触光学观测方法同步获得了喷雾与火焰的动态结构,研究了缩进长度及喷注工况对火焰的动态特性、自激振荡特性以及燃烧效率的影响。研究发现,随着喷嘴缩进长度的增加,火焰从稳态转变为自激振荡状态。稳态燃烧时,火焰具有明显的锥形分布特征,火焰主要分布于锥形液膜表面、喷嘴出口回流区以及喷雾与燃烧室壁面的撞击区域。对于振荡火焰,当缩进长度较小时,火焰附着于喷注面板上且主要发生径向振荡;而当缩进长度增大到一定程度后,火焰周期性地附着并远离喷注面板且由纵向振荡主导。火焰振荡模式的转变是由自激振荡喷雾结构的变化引起的。基于已建立的理论分析模型,深入分析了火焰自激振荡与缩进室内部流动模态的关系。火焰振荡与喷雾自激振荡强弱同步,且当缩进室内部流动处于临界流动状态时最强。此外,研究发现,稳态燃烧时的燃烧效率大于振荡燃烧状态下的燃烧效率,喷嘴缩进可适当提高燃烧效率。     

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。     

受限空间内三级旋流流场和燃烧性能研究

为研究受限空间内三级旋流器流场特征和对应的燃烧性能,对不同方案三级旋流器开展了试验和仿真研究,分析了2种典型流场（贴壁流场和锥形流场）特性及其对火焰形态、燃烧室性能指标的影响。结果表明,通过控制三级孔特征可实现三级旋流器下游贴壁流场和锥形流场之间的转变。三级孔为30°时,旋流器的高湍动能有利于强化燃油雾化,同时形成贴壁的大尺寸回流区有利于燃油在主燃区的空间扩散和均匀分布,能够改善燃烧室点熄火性能,但会导致主燃区火焰筒壁温较高。