凹腔双驻涡稳焰冷态流场初步研究

驻涡燃烧室凹腔内流场对其燃烧性能有重要的影响,为了找出凹腔流场的特性,使用数值和实验两种手段对凹腔内双驻涡稳焰冷态流场进行了初步研究。研究结果表明:在主流速度和凹腔前壁面吹气速度一定的情况下存在一个最佳的后壁面吹气速度使得凹腔内的流场稳定,以满足先进燃烧室所期望的条件。研究成果初步确定了凹腔双驻涡稳焰冷态流场特征,并为开展热态研究打下基础。     

驻涡燃烧室驻涡区涡系特点数值模拟

为深入了解驻涡燃烧室凹腔内流场的涡系分布特性,采用FLUENT对不同驻涡区前进口堵塞比和不同燃烧室入口速度的驻涡区流场进行计算,分析典型截面压力场和流线图,研究驻涡区涡系特点.结果表明:不同纵截面旋涡特点不同,主流被联焰板堵塞的凹腔纵截面只有主涡,为稳定点火和火焰稳定提供条件;不同横截面的旋涡差别较大,离驻涡区前壁越远的截面涡心距越大,贴近前壁和后壁的截面均无旋涡;燃烧室入口速度对轴向中间截面的旋涡结构无影响,而前进口堵塞比对旋涡结构影响较大.     

凹腔驻涡模型燃烧室内涡的演化发展

使用大涡模拟对凹腔内双驻涡冷态流场进行了分析研究.结果发现, 在主流、前后壁面射流的情况下, 凹腔在某些特定几何条件下会产生准周期生成和破碎的驻涡, 同时研究了凹腔内准周期驻涡的生成发展的过程, 得到了影响凹腔内涡演化的新结果.      

驻涡燃烧室凹腔流场结构实验

驻涡燃烧室采用凹腔结构稳定火焰,研究凹腔内不同燃料与空气喷射情况下的流场结构非常重要。采用粒子成像测速仪(PIV)测量了驻涡燃烧室凹腔在不同主流速度下的流场,并对比分析了凹腔进气结构分别为不开冷却缝及油气渗混孔、开冷却缝不开油气渗混孔、开冷却缝和后体油气渗混孔、开冷却缝和前体油气渗混孔时的流场结构。研究结果表明,不同主流速度下所设计的不同凹腔进气结构均能在腔内形成稳定的涡,冷却缝对流场的影响较小,凹腔油气掺混孔在开孔截面上对流场及涡核中心位置的影响较大。     

驻涡燃烧室凹腔供油位置对流场影响的PIV实验

采用PIV(particle image velocimetry)技术,对凹腔供油位置不同时凹腔内的冷态流场进行对比研究.通过分析不同来流速度对腔内涡的形成及其稳定性的影响,从而研究不同供油位置对涡稳定的影响.实验表明,供油位置在凹腔前体,油气掺混孔处的射流对涡有破坏,供油位置在凹腔后体,油气掺混孔处射流对涡没有破坏作用,在不考虑供油方式等因素的情况下,凹腔后体供油优于凹腔前体供油.研究结论可为该驻涡燃烧室进一步的热态燃烧性能实验研究提供依据.      

带驻涡凹腔的径向钝体稳定器燃烧特性研究

针对燃烧室高速气流中低压组织燃烧需求,本文分析驻涡稳定器-径向稳定器组合结构的燃烧性能,对驻涡燃烧室传焰和稳焰结构的优化设计提供支撑。研究采用实验和数值模拟相结合的方法,在0.06～0.08MPa的负压条件下,获得了组合稳定器结构的燃烧效率、出口温度分布和热态流场。结果表明,径向稳定器的存在使得燃烧室出口产生了明显的温度不均匀现象;降低燃烧室总压将导致燃烧效率明显恶化,总压每下降0.01MPa,对应的燃烧效率将下降约5%。燃烧区的位置与流场息息相关,在热态燃烧过程中,高温区集中在凹腔侧边和径向稳定器外侧,燃烧室中央部分存在来源于凹腔值班级、并沿径向稳定器传播的火焰。余气系数的提升将增加主流供油的穿透深度,导致燃烧区进一步集中在燃烧室两侧,出口温度不均匀程度将由此上升,当余气系数下降到2以下时,燃烧室两侧燃油的富集将导致燃烧效率下降。     

凹腔驻涡与支板稳焰组合加力燃烧室模型冷态流场试验

利用粒子图像测速仪(PIV)对凹腔驻涡与支板稳焰组合加力燃烧室模型进行冷态流场测量,获得该加力燃烧室流场的变化规律和压力损失的变化情况.试验结果表明:随着偏转角(5°~17°)的增大,支板稳定器的整流效果变差,得到的流场的均匀性变差;随着进口马赫数(0.18~0.30)的增加,凹腔内旋涡结构变得完整,从凹腔出来的气流沿径向支板稳定器的穿透能力增加.气流在支板稳定器后形成了低速区回流区,随着进口马赫的增加,回流区的宽度有所增加;加力燃烧室的总压损失随进口马赫数的增加而增大,较常规V型稳定器的总压损失大.      

一种蒸发式凹腔驻涡值班稳定器的流动与点火性能研究

为进一步拓宽凹腔驻涡值班稳定器在低温、高速来流条件下的点熄火边界,提出了一种利用高温燃气预热、预混供油的蒸发式凹腔驻涡值班稳定器。研究了蒸发式凹腔驻涡值班稳定器的流动特性、燃油分布特性及点火性能。研究结果表明：蒸发式凹腔驻涡值班稳定器的掺混腔和凹腔内部形成的涡系结构为低温、高速来流下的点火和燃烧提供了有利条件。凹腔驻涡区的气相油雾沿流向分布均匀,沿周向从稳定器对称子午面最富递减到相邻稳定器中间面最贫。在相同来流温度下,蒸发式凹腔驻涡值班稳定器的贫油点火和熄火当量比均随着来流速度的增大而增大。在低温（600K）、高速（100～200m/s）来流条件下,相比于蒸发式Z形值班火焰稳定器和常规薄膜蒸发式火焰稳定器,蒸发式凹腔驻涡值班稳定器贫油点火当量比能分别降低5.5%和30%;其贫油熄火当量比能分别降低37.4%和48.8%。     

驻涡加力燃烧室贫油熄火性能的影响

为了研究驻涡加力燃烧室的贫油熄火性能,设计了三种不同方案的凹腔结构,进行了贫油熄火（LBO）性能试验。采用航空煤油作为燃料,试验中的主要研究参数如下:外内涵进气压比在0.97~1.07之间变化;主流马赫数在0.13~0.20之间变化。研究结果表明:驻涡加力燃烧室贫油熄火油气比随着外内涵进气压比的增加而增加,随着主流马赫数的增大而增加,并且在马赫数较大时,变化幅度增大;在驻涡区上部分区域,轴向平均绝对速度越小,以及主涡涡心位置在一定范围内更贴近凹腔后壁面,驻涡加力燃烧室的贫油熄火性能更优。      

环形中心钝体驻涡燃烧室驻涡腔有无喷射的对比

采用三维雷诺平均Navier-Stokes(N-S)方程、renormalization group (RNG) k-ε湍流模型和标准壁面函数对驻涡腔有无喷射的环形中心钝体驻涡燃烧室的冷态流场进行了数值仿真,分析了驻涡腔有无喷射对环形中心钝体驻涡燃烧室涡系结构、驻涡腔流动参数和燃烧室总体性能的影响.结果表明:相比于无喷射时,驻涡腔添加喷射可以使驻涡腔内形成相对稳定的双驻涡结构;驻涡腔喷射的存在使得环形中心钝体驻涡燃烧室出口截面总压损失系数降低约9.2%,并能提高驻涡腔内的平均气流参数;驻涡腔喷射对环形中心钝体驻涡燃烧室出口截面流动参数沿流道高度方向的变化趋势影响不大.      

Experimental study of entrainment phenomenon in a trapped vortex combustor

Trapped vortex combustor (TVC) is an advanced low-pollution gas turbine combustor, with the adoption of staged combustion technique. To achieve low-pollutant emission and better combustion performance, the proportion of the air flow in each combustion zone should be precisely determined in the design of the combustor. Due to the presence of entrainment phenomenon, the total air flow in the cavity zone is difficult to estimate. To overcome the measurement difficulty, this study adopts the indirect measurement approach in the experimental research of entrainment phenomenon in the cavity. In accordance with the measurement principle, a TVC model fueled by methane is designed. Under two experimental conditions, i.e. with and without direct air intake in the cavity, the influence of the mainstream air flow velocity, the air intake velocity in the cavity, the height of inlet channel, the structure of holder and the structural proportion of the cavity on entrainment in the cavity is studied, respectively, through experiment at atmospheric temperature and pressure. The results suggest that the air flow velocity of mainstream, the air intake velocity of the cavity and the structure of the holder exert significant influence on the air entrainment, while the influence of structural proportion of the cavity is comparatively insignificant. The square root of momentum ratio of cavity air to mainstream air could be used to analyze the correlation of the entrainment data.     

可压流条件下凹腔驻涡流动试验

针对几何因素和气动因素对凹腔驻涡流动的影响进行了研究.试验研究了改变凹腔的高长比、射流孔位置和主流进气角度等对凹腔驻涡流动的影响,研究了改变主次流进口流速等气动因素对凹腔流动的影响.总压损失采用总压探针测量,速度场采用粒子图像测速仪(PIV)测量.试验结果表明:①两股射流在中部和底部喷射时均能产生大尺度涡结构,在中部喷射时产生一对旋向相反的涡对,在底部喷射时产生单涡.②在中部喷射情况下,增加主流马赫数和主流进气角度,凹腔上部空间的涡度增强.③主流进口马赫数增加,试验件的总压损失显著增加.      

钝体改进结构对先进旋涡燃烧室燃烧流动特性影响

为探究先进旋涡燃烧室凹腔稳焰机制,提出了一种后钝体结构改进方案,并对改进后的燃烧室燃烧特性进行了预混和非预混燃烧数值模拟.结果表明:预混燃烧条件下,当量比为0.6和1.0时,钝体改进结构可有效增强凹腔内旋涡流动强度,增加凹腔内温度,同时使温度分布更加均匀.另外,凹腔内温度随预混进气速度增加而增加,且当速度增大到一定值时,温度变化不明显;非预混燃烧条件下,钝体改进结构可改善凹腔内旋涡流动及温度分布,在贫油燃烧状态时,凹腔内仍可维持较高的温度;钝体改进使燃烧室质量更小,具有一定的工程参考意义.     

驻涡燃烧室最佳中心驻体宽度选择的数值研究

为确定驻涡燃烧室中心驻体最佳宽度,在四种来流条件下,对当量宽度为0.3～0.8范围,间隔为0.05当量宽度的中心驻体驻涡燃烧室三维黏性流场进行了冷态数值模拟.计算结果表明,当量宽度在0.65～0.70的中心驻体有利于在驻涡腔内形成低速且稳定的流动.驻体宽度增加会导致驻涡腔外侧主流气流速度提高,引起摩擦损失的加大,燃烧室出口截面处的总压损失增加.      

涡轮级间双涡燃烧室的出口温度分布试验

在单涡燃烧室研究的基础上,对双涡燃烧室进行出口温度分布试验研究,得到了影响出口温度分布系数(OTDF)的因素如下:①随着主流马赫数的增加,出口温度分布系数减小;②主流温度对出口温度分布影响较大,出口温度分布系数随主流温度的增加而减小;③随着余气系数的增大,出口温度分布系数都有先增大后趋于平缓或减小的过程;④不同的凹腔结构对出口温度分布系数的影响很大,综合各个试验件结果,深宽比为0.8,后体进气方式为开槽进气的双1试验件的出口温度分布系数最小.