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.      

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.      

涡轮级间燃烧室燃烧性能试验

开展了进口空气马赫数、驻涡区余气系数影响涡轮级间燃烧室燃烧性能的试验研究,获得了燃烧室性能参数的变化规律:随着进口马赫数的增大,总压损失从1.5%增加到7%,流阻系数变化不大,出口温度分布系数OTDF(overall temperature distribution factor)也相应变大;对于不同的进口马赫数,燃烧效率、OTDF随驻涡区余气系数的增大分别为降低和基本不变;燃烧效率大多在70%~85%之间;试验中得到的在燃烧室进口温度为473K时的最大贫油熄火余气系数为9.7.      

冲压发动机驻涡燃烧室模型方案数值模拟研究

为探索适用于高推重比发动机的高性能燃烧室,在一种冲压发动机特定结构应用背景条件下,设计了一种驻涡燃烧室（Trapped-Vortex Combustor,简称TVC）技术应用模型方案,并对其进行了冷态流场数值模拟,对包括驻涡区长宽比、驻涡区长度、驻涡区进口导流结构形式、主流钝体与联焰板的结构形式与参数的影响进行了分析,探索TVC燃烧室方案在冲压发动机上的应用可行性。从三维冷态流场数值模拟结果来看,燃烧室模型方案内部形成了设计的涡系结构,能够实现初步的组织燃烧。通过不同设计参数的计算模拟,摸索出驻涡区高度、驻涡区宽高比等参数对燃烧室内部流场影响的规律。研究结果表明驻涡区宽高比控制在1.0左右驻涡区涡系结构最好,有利于组织燃烧。     

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.      

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.      

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。      

驻涡燃烧室主流对凹腔涡流动的影响

利用粒子图像测速仪(PIV)对矩形模型驻涡燃烧室冷态流场进行了测试,分析了驻涡燃烧室主流速度及结构变化对凹腔内涡流动的影响.实验结果表明,主流速度对凹腔内涡的大小、形状、涡心位置影响不大,旋涡强度及凹腔回流量随速度增大而增大.主流无稳定器时凹腔内涡心基本居中;主流加入稳定器后,凹腔中心剖面涡较大,涡心偏向后方,稳定器剖面涡较小,涡心偏向前方.实验结果为开展热态研究打下基础.      

含导流片及钝体的驻涡燃烧室的结构优化

为了研究含导流片及钝体的驻涡燃烧室的最优结构,通过改变不同的导流片及钝体的尺寸和位置,对燃烧室的燃烧湍流流场进行了数值模拟。结果表明:钝体长度以及导流片与进口壁面的距离对燃烧室性能影响较大,其值越大,燃烧效率越高,最高可达到99.99%。在研究范围内,存在相对较优的钝体以及导流片结构,在该结构下,燃烧室的总压损失为6.66%,燃烧效率为99.79%。凹腔内形成稳定的双涡结构,钝体后方形成较好的回流区。     

双涡/贫油驻涡燃烧室的贫油熄火特性试验

对在燃烧室进口高速气流条件下工作的贫油双涡结构驻涡燃烧室,通过改变主流马赫数与温度和改变其凹腔几何尺寸进行贫油熄火性能试验.试验结果表明:①随着主流马赫数的增加,贫油熄火余气系数减小,主流速度是影响贫油熄火性能的最主要因素.②主流温度的升高对拓宽燃烧边界有利,但是在达到600K后,对贫油熄火余气系数的影响逐渐减弱.③双涡试验件后体进气量的增加可以使贫油熄火性能变差.④不同凹腔宽深比对贫油熄火余气系数的影响很大,综合各个试验件结果,深宽比为0.88的双涡试验件的贫油熄火性能最好.      

Design and Performance of an Improved Trapped Vortex Combustor

 A trapped vortex combustor (TVC) has been a very promising novel concept for it offers improvements in lean blow out, altitude relight, operating range, as well as a potential to decrease NO_x emissions compared to conventional combustors. The present paper discusses the improved designs of the new combustor over the prior ones of our research group, including that: a) the overall dimensions, both axial and radial, are reduced to those of an actual aero-engine combustor; b) the air flow distribution is optimized, and especially 15% of the air is fed into the liner as cooling air; c) a straight-wall diffuser with divergence angle 9癷s added. A series of experiments (cavity-fueled only, under atmospheric pressure) has been conducted to investigate the performance of the improved TVC. Experimental results show that at the inlet temperature of 523 K, the inlet pressure of 0.1 MPa, stable operation of the TVC test rig is observed for the Mach number 0.15-0.34, indicating good flame stability; the combustion efficiency obtained in this paper falls into the range of 60%-96%; as the total excess air ratio increases, the combustion efficiency decreases, while the increase of the inlet temperature is beneficial to high combustion efficiency; besides, the optimal Mach numbers for high combustion efficiency under different inlet conditions are confirmed. The outlet temperature profiles feature a bottom in the mid-height of the exit. This paper demonstrates the feasibility for the TVC to be applied to a realistic aero-engine preliminarily and provides reference for TVC design.     

Experimental Study on Emission Performance of an LPP/TVC

A key issue in the commercial aircraft engine design is environmental acceptability, and designers are continually challenged to reduce emissions. In this paper, an experimental investigation is performed to evaluate the emission performance of a liquid-fueled trapped vortex combustor (TVC) under lean premixed prevaporized (LPP) mode. When operating as an LPP system, a TVC is fueled both in the cavities and in the main stream. The correlations between the emission performance and the total excess air ratio, the positions (4 positions) of the fuel injectors in the main stream, and the inlet temperature are obtained. Experi- mental results show that both the volume concentrations of unburnt hydrocarbon (UHC) and NOx (NO, NO2 usually grouped together as NOx) increase with the increase of total excess air ratio from 1.5 to 3.0; the emission performance relies heavily on the position of the main stream injector, and the best performance is achieved at Position 4 in the experiments; the increase of the inlet temperature impacts on the emission performance positively; the smallest volume concentrations of UHC and NOx obtained in the experiment are 94×10 6 and 2.3×10 6 respectively. This paper validates the feasibility of low emissions for an LPP/TVC and provides a reference for further optimization of TVCs.     

抽吸对高超声速内收缩进气道涡流区及起动性能的影响

研究了抽吸位置和开槽形式对高超声速内收缩进气道涡流区和起动性能的影响.数值计算结果表明:在内收缩进气道下洗气流集中区域开槽对减小出口涡流区效果显著,在分离包内开槽可以以较小的流量损失来大幅提升进气道的起动性能.横纵向组合槽即T型槽的综合抽吸效率最高,相对原型进气道,设计点马赫数为6.0时在相对抽吸流量为1.01%时出口总压恢复系数提高了12.8%,畸变指数减小了37%;起动马赫数从5.2降至4.1,自起动马赫数由6.2降至4.8.      

不同钝体宽度下的驻涡燃烧室排放试验

为了研究空气流量分配对驻涡燃烧室对排放特性的影响,了解对驻涡燃烧室内污染物生成的过程及其影响因素,设计了一个能够改变中心钝体宽度、仅凹腔供油的驻涡燃烧室.在常压下对该驻涡燃烧室进行了排放特性试验,进口温度保持200℃.试验中,燃烧室进口马赫数为0.15~0.3.影响排放的因素主要包括雾化质量、凹腔当量比以及与进口马赫数相关的驻留时间等.总体来说雾化质量、凹腔当量比的提高对降低CO和HC的排放是有利的,但是这会使NOx排放增加.在低凹腔当量比时,CO排放曲线变化下降比较平缓,甚至出现上升趋势,而HC排放曲线比较陡峭.这是由于HC的消耗速度比CO消耗速度快,随着凹腔当量比的增加,供油压力提高,燃油雾化粒径变小,燃油蒸发时间缩短,使HC排放快速减少,中间产物CO大量产生而来不及消耗.凹腔当量比进一步上升时,由于燃烧温度的提高,使得CO排放快速减少.在燃烧室内燃烧过程中,NOx的形成和消耗是非常复杂的过程,目前只能作一些定性的分析,而CO和HC的反应过程相对简单.通过对不同钝体槽宽下,具有相似凹腔前壁流量的工况的比较,发现CO和HC的形成主要受凹腔内工作状况影响,而NOx的形成过程更复杂,主流也对其产生着重要的影响.      

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.      

采用蒸发管供油的驻涡燃烧室点火及贫油熄火特性

为了研究驻涡燃烧室拓宽燃烧边界的能力, 设计了一种驻涡燃烧室实验件, 并对其点火性能和贫油熄火特性进行了实验研究.驻涡燃烧室采用汽化器和蒸发管的组合作为供油方式, 以煤油为燃料, 实验中改变燃烧室的进口条件, 测试其点火极限和贫熄极限.实验结果表明, 采用蒸发管供油驻涡燃烧室具有良好的点火特性和贫油熄火性能.