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。      

双级轴向旋流器气量分配对流场特性影响的数值模拟与试验验证

为了探究双级轴向旋流器气量分配对流场特性的影响,对相同进口条件下不同旋流器流场特性进行数值模拟,并结合流量特性试验和粒子图像测速仪流场试验进行验证。结果表明:当第1、2级旋流器气量比由0.32增大到1.48时,旋流器下游轴向、径向速度降低,气流扩张角、回流区宽度以及回流率均减小;不同气量分配的第1、2级旋流在文氏管出口与套筒出口之间剧烈掺混,经过套筒出口后,旋流数均小于0.4;在相同的结构形式下,不同气量分配的双级旋流器通过改变第1、2级旋流器在文氏管出口处的旋流数,进而改变了第1、2级旋流相互掺混的强度,并最终影响了下游流场。     

旋流器特征参数对高温升燃烧室性能的影响

利用数值模拟方法考察了3级旋流器特征参数(旋向组合、旋流数)对提出的中心分级燃烧室燃烧性能的影响。对12种不同的方案进行了比较,选出了最优的3级旋流器匹配方案。计算结果表明:3级旋流器的特征参数对燃烧室流场结构和燃烧性能有很大影响;合理的旋流器旋向组合和旋流数是提高燃烧室性能的关键因素。3级旋流器旋向组合为第1、2级反向,第2、3级同向,旋流角度组合为第1级40°,第2、3级均为45°时,燃烧室可以达到最佳的燃烧效果。     

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。     

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。     

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.      

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。     

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.     

旋流器结构参数对燃烧室燃烧性能影响的数值分析

采用数值分析方法研究旋流器结构特征参数对中心分级燃烧室燃烧性能的影响规律,从回流区特性、燃烧室温度场、出口温度特性、NOx排放等几个方面分析了燃烧室燃烧性能。研究结果表明:旋流器值班级第一、第二级以及主燃级叶片安装角和旋向对燃烧室燃烧性能有着重要影响;最佳叶片角度方案为值班级第一级叶片45°、第二级叶片45°、主燃级叶片安装角60°;最优旋向组合为值班级第一级叶片与第二级叶片反向,第二级叶片与主燃级叶片同向。     

湍流燃烧模型对双旋流燃烧室喷雾燃烧的影响

采用数值模拟与试验测量相结合的方法,研究扩展旋涡破碎模型、扩展二阶矩模型和涡团耗散概念模型等三种湍流燃烧模型对双旋流湍流喷雾燃烧流场的影响.在任意曲线坐标系下数值研究双级轴向旋流器环形燃烧室全流程流场,采用粒子图像测速仪测量燃烧流场气流速度分布,热电偶测量燃烧室出口温度分布.计算结果与验证试验数据比较表明:不同湍流燃烧模型对双旋流湍流喷雾燃烧影响较大,所得的回流区形状、速度、温度场以及出口温度分布等都不太相同,其中扩展二阶矩模型所得的结果与试验值符合最好,更适用于模拟双旋流环形燃烧室湍流喷雾燃烧.     

低旋流中心分级燃烧室流场特性研究

为了研究新设计的一种低旋流中心分级燃烧室流场特性,采用数值模拟和PIV试验结合的方法,针对其头部两级主副模旋流器的不同组合方案开展了研究。研究表明:低旋流下,单独副模旋流器工作时气流半角22.3°,无法形成回流区,同时,副模气流轴向速度在旋流器出口具有较大的速度衰减特性;回流区的形成是主副模旋流器相互作用的结果,流场呈径向分区特征,中心回流区在内,回流区最大径向尺寸小于主模旋流器外径,主模气流在回流区外,无回流区形成;不同副模旋流数下的流场结构基本一致,随着副模旋流数的增加,中心回流区的径向尺寸增大。     

基于PIV技术的双旋流燃烧室冷态流场测量

为了掌握双旋流燃烧室流场特性,利用粒子图像测速仪(PIV)对双旋流、低排放燃烧室的冷态流场进行测量。并对流场在不同供气压降、不同测量截面上的分布特性进行试验研究。结果表明:随着进气速度的增大,回流区的面积及回流强度有所增加,回流区长度变长,燃烧室头部气流更稳定,燃烧效率更高。随着距旋流器出口距离的增加,截面上环形流场的强度有所减弱。研究结果为进一步研究利用多级旋流器实现燃烧室内稳定燃烧并降低排放提供了重要依据。     

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。     

固体燃料冲压发动机旋流燃烧特性数值研究

为了研究固体燃料冲压发动机旋流燃烧特性,使用数值模拟方法计算了不同旋流数下的燃速、燃烧效率、推力与比冲。固体燃料为丁羟,燃烧采用总包反应与涡团耗散模型。当旋流数小于临界旋流数时,无需将旋流器出口伸入燃烧室,突扩台阶回流区即可稳定火焰;当旋流数大于临界旋流数后,须将旋流器出口伸入燃烧室一段距离,使火焰稳定在这一段区域内。旋流状态燃烧效率低于直流状态,在考虑了旋流产生的总压损失后,发动机推力与比冲也低于直流状态。     

旋流器流量分配对三级旋流流场特性的影响

为探讨三级旋流器流量分配对旋流器出口流场的影响,针对旋向组合为"顺时针-逆时针-逆时针",内级、中间级、外级旋流器旋流数分别为1.4,1.0,0.6的三级旋流器,开展了相同进口条件下不同流量分配方案的数值研究。研究结果表明:当内级旋流器流量分配一定时,随着中间级/外级气流流量比的增大,回流区轴向长度、径向宽度,回流率及旋流数逐渐增大;当中间级旋流器流量分配一定时,随着内级/外级气流流量比的增大,回流区轴向长度、径向宽度、回流率及旋流数逐渐减小;当外级旋流器流量分配一定时,随着内级/中间级气流流量比的增大,回流区轴向长度、径向宽度,回流率及旋流数逐渐减小。     

短螺旋型燃烧室旋流结构及气动边界发展规律数值模拟研究

短螺旋型燃烧室的头部轴线沿发动机周向与发动机轴线偏转一定角度,可以在保证燃烧效率不变的条件下有效缩短燃烧室轴向长度。短螺旋型燃烧室流场的最大特点是旋流流动单侧受限。为了研究头部安装角α变化对燃烧室旋流流动特性的影响,基于数值方法对短螺旋型燃烧室进行了计算分析。结果表明:随着α变化,旋流器下游旋涡依次出现对称环状、马蹄状、环状结构;随着α增加,气动边界逐渐出现并抑制旋流的周向扩张,导致流场出现不同的旋涡结构;不同α下的切向角动量随轴向距离增加而衰减,但α为35°和45°时,气动边界在非受限侧出现并对旋流产生约束,角动量衰减变慢;当α为0°,15°,35°,45°时,燃油液滴依次集中分布在旋流器下游两旋涡边缘、侧壁面和头部端壁、非受限旋涡边缘。本文研究了不同α下的旋涡结构及气动边界沿轴向的演化过程,为短螺旋型燃烧室进一步的设计与优化提供基础。     

旋流杯设计参数对燃烧性能的影响

通过三维数值模拟和试验相结合的方法,针对航空发动机主燃烧室开展了火焰筒头部旋流杯设计参数对燃烧室性能影响的研究,其关键设计参数为副旋流器相对进气量和旋流数,关注的燃烧性能包括出口温度场分布、NOx排放量等.结果表明:数值计算获得的规律与试验的结论基本一致.随着副旋流器相对进气量的增加,主燃烧室出口温度场逐渐恶化,而NOx排放量略有降低;副旋流器旋流数偏离基准设计值时,出口温度场恶化,而NOx排放量随旋流数的增加而增加.     

外旋流器旋流数对三级旋流流场特性的影响

采用二维粒子图像测速(2D-PIV)流场测试技术,试验研究了相同进口条件下多种旋流数组合旋流器出口冷态流场,分析比较了外级旋流器旋流数对流场结构的影响.研究结果表明:外级旋流器旋流强弱并不是回流区形成的主要决定因素；随着外级旋流器旋流数的增加,涡心有向前及向外移动的趋势,其回流区轴向长度逐渐变长,最大回流速度逐渐减小；回流区形状同时受外级旋流器旋流数及内级旋流器旋流数的影响,当外级旋流器旋流数相对内级旋流器旋流数足够大时,较易出现尾迹区；在旋流器出口附近,外级旋流器旋流数较小时旋流器组合流场的湍流强度峰值较大.      

多旋流器阵列LDI燃烧室流场的数值模拟

采用雷诺应力模型（RSM）对于同旋向多旋流器阵列LDI燃烧室流场进行了数值模拟。计算结果表明,九个旋流器产生的回流区迅速变形衰减,在远离旋流器阵列的下游,形成了一个大的总体旋流。流场中存在的多个回流区及强湍流表明该燃烧室有潜力实现良好的燃烧性能。通过将RSM的模拟结果与激光多普勒测速仪（LDV）测量值进行比较发现,RSM准确描述了绝大部分流动特性,较好地求解了回流区和高速度梯度问题。     

喷嘴和旋流器数目对短环形燃烧室燃烧性能的影响

通过改变燃烧室头部喷嘴、旋流器的数目和位置,对短环形流燃烧室内有较强回流的湍流旋流流动进行了模拟。结果表明:在燃油和空气总流量不变的情况下,改变喷嘴数目对燃烧室出口平均温度、平均速度影响不大,但是,对出口温度分布、燃烧室内空气流场有较大影响。