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.      

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.     

头部气量分配对旋流杯结构燃烧室贫熄性能的影响

针对采用双径向旋流器的某单头部矩形燃烧室,通过实验研究旋流器及主燃孔进气量变化对燃烧室贫油熄火特性的影响,发现旋流器的进气量减少会使熄火油气比减小.其中,一级旋流器进气量减小一半可拓宽熄火边界约18%左右,对熄火油气比的影响最大.而主燃孔的进气量减少一半则会使熄火油气比增大约13.1%.不过,主燃孔以及两级旋流器的进气量同时减少一半,可能使燃烧室的熄火油气比进一步降低,从而获得更大的稳定工作范围.      

双级径向旋流器对燃烧性能的影响

为保证航空发动机燃烧室具有良好的气动雾化性能并实现稳定、高效地燃烧,设计6种带有旋向相反的双级径向旋流器方案的单头部燃烧室,通过双级径向旋流器设计参数对燃烧性能影响的数值计算,得到不同主、副旋流器旋流数对燃烧室性能的影响规律,并进行试验验证。结果表明:数值计算与试验结果基本吻合。双级径向旋流燃烧室的燃烧效率超过99.9%,双级径向旋流器存在最佳的匹配方案,该方案使得燃烧室形成合适的回流区,并得到均匀的出口温度场。     

三旋流器燃烧室出口温度分布的初步试验研究

针对高温升燃烧室对出口温度分布系数降低的需求, 采用三头部矩形燃烧室, 对三种不同的三旋流器头部组合方案进行了出口温度分布的试验, 重点研究了三旋流器旋向和头部当量比对燃烧室出口温度分布的影响.出口温度的测试方法采用了燃气分析法.试验结果表明外旋流器与中间旋流器旋向相反时, 出口温度分布均匀;头部当量比小, 出口温度分布均匀.头部当量比应与旋流器旋向共同考虑, 才能优化燃烧室出口温度分布系数.      

三级旋流器的设计及其流场模拟

利用UG软件建立三级旋流器模型燃烧室的几何模型,采用四面体非结构网格划分方法,生成网格计算模型,应用Realizable k-ε湍流模型对该模型燃烧室的冷态流场进行数值模拟。研究结果表明：与旋流器其它参数相比,各级旋流器之间的流量分配对三级旋流器的流场特性（如回流区范围和中心速度分布）有较大的影响。深化了对三级旋流器各种设计参数的认识,有助于实现三级旋流器的进一步优化设计。     

3级旋流器各级气量变化对燃烧性能的影响

为了探究中心分级燃烧室各级旋流器叶片数量与相应旋流气量变化对燃烧室性能的影响,基于高推重比和高温升的技术需求,对设计模型进行了除旋流器外分块结构化网格划分,并在ICEM软件中实现混合网格周期性边界条件设置,进行3维数值模拟。结果表明：确定最优方案的3级旋流器叶片数量分别为8、10和15。中心分级燃烧室每级旋流器流通气量随其相应旋流器叶片数量改变呈负相关变化关系;设计油气比为0.045时,中心分级燃烧室最优方案即基准型方案的温升可达1300 K,出口温度分布系数OTDF达到0.13,在性能所要求的0.10～0.15之间,出口径向温度分布系数RTDF达到0.081,在性能所要求的0.08～0.12之间;中心分级燃烧室出口截面OTDF值随火焰筒头部每级旋流器的叶片数量或旋流气量的变化关系是“V”形,RTDF值随头部每级旋流器的叶片数量或旋流气量的变化关系是类“V”形。     

双级径向旋流器燃烧性能的数值研究

设计一种双级径向旋流器,采用数值模拟的方法研究了旋流器的燃烧性能。计算结果表明：旋流器第Ⅱ级叶片安装角在40°～60°范围内,燃烧室内速度分布相差较小;燃烧室内温度分布与旋流器叶片安装角没有呈现规律性的变化关系;所研究的燃烧室结构,旋流器第Ⅱ级叶片安装角为60°的燃烧室燃烧性能更好。     

多旋流LPP影响燃烧特性的数值分析

对贫油经由双级旋流器在突扩燃烧室内的旋流扩散燃烧反应进行了CFD数值研究。通过改变一级旋流器和二级旋流器的空气流量分配,定量研究了旋流杯内油气的局部混合和蒸发对双旋流燃烧特性的影响。结果表明,合理的气量分配使旋流杯内的油气具有较明显的贫油部分预混合预蒸发LPP效应;使燃烧室头部区域具有LPP燃烧特性：头部燃烧区位置和结构合理,温场峰值低且比较均匀,产生较少的NO污染物。相关计算结果与试验结果相符合。     

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。     

单环腔中心分级燃烧室流场数值模拟

采用标准k-ε模型对旋流器几何参数改变给单环腔中心分级(SACS)燃烧室冷态流场带来的影响进行了数值模拟.计算结果表明,值班级旋流器旋向对SACS燃烧室流场的影响很小;分别调整三级旋流器旋流角时,外旋流器旋流角变化给SACS燃烧室流场带来的影响最大.因此,外旋流器是决定SACS燃烧室气流结构的关键因素.      

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.     

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。      

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。      

双级轴向涡流器气量分配对燃烧室点火特性的影响

为研究双级轴向涡流器一、二级气量分配对燃烧室点火特性的影响,对4种不同气量比的双级轴向涡流器进行了单头部燃烧室点火试验,同时结合燃烧室头部流场和喷嘴匹配涡流器雾化试验结果对点火试验结果进行了分析。结果表明：随着一、二级气量比由0.55增加至1.28,涡流器出口旋流数、涡流器下游回流区宽度、回流空气流量以及喷雾锥角逐渐减小;过小的一、二级气量比会导致点火状态下的燃油粒径变大;点火边界油气比随着一、二级气量比的增加呈现先减小后增加的趋势,气量比为0.85~1的方案兼顾了流场和喷雾特性,获得了相对较好的燃烧室点火性能。