三级旋流燃烧室流动和点火过程中火焰传播特性

为了研究三级旋流燃烧室的流动以及预燃级煤油非预混燃烧特性,设计了三级旋流燃烧室结构方案与光学非接触测量方案,研究了总压损失与当量比对三级旋流燃烧室流动特性及火焰结构的作用和油气参数对点火过程中火焰特征结构与特征时间的影响规律。研究结果表明：在高速气流碰壁区存在内、外剪切层,剪切层的无量纲高度随总压损失变化较小,剪切强度随总压损失增大而增大;火焰结构随着当量比变化存在“V”型火焰、过渡火焰以及包络火焰三种形态,过渡当量比约在0.6左右;热态回流区扩张段扩张角度随总压损失的增大而增大,随着当量比先减小后增大;点火过程中存在大尺度火焰的熄灭与复燃,复燃火焰从回流涡附近以三维螺旋方式回传;点火过程中,随总压损失的增大,火核生成时间增大,火焰传播时间减小,熄火复燃时间减小;随当量比增大,火核生成时间增加,火焰传播时间先增大后减小,熄火复燃时间减小。     

当量比对分层旋流火焰燃烧不稳定性的影响

针对分层旋流燃烧室,实验测量了不同分级比和油气比下的动态压力。结果显示:在总燃烧当量比0.47~0.68,主燃级当量比0.48~0.65范围内,燃烧室内的压力脉动幅值随当量比增大而增大。基于层流火焰模型和局部火焰吹熄假设,公式推导了吹熄前后火焰厚度、火焰长度、层流火焰传播速度、气流速度间的关系,得出燃烧不稳定下的压力脉动幅值ps′与层流火焰传播速度SL0成正比,结合贫油状态下SL0随当量比增大而增大这一事实,得出ps′随当量比增大而增大,从而解释了实验结果。     

不同旋流器方案下旋流驻涡燃烧室性能

为研究旋流驻涡燃烧室的燃烧性能，设计了3种旋流器方案（基准型、小流通面积和外加套筒），在进口温度493 K、常压条件下，采用RP-3航空煤油作为燃料，凹腔当量比在0.8～1.8之间，开展了热态试验。结果表明：基准型和小流通面积的主燃区火焰为脱体火焰，而外加套筒则为V型驻定火焰，且小流通面积和加套筒的主燃区火焰更加集中。燃烧效率方面，基准型最低，而小流通面积最高，试验中获得的最高燃烧效率为96.3%。随着凹腔当量比的增加，基准型的燃烧效率不断增加，而小流通面积的则先基本不变，随后略有增加，外加套筒的则先快速增加，然后缓慢增加。此外，小流通面积的冷态总压损失高于基准型，在进口马赫数为0.31时，两者的冷态总压损失分别为7.2%和4.5%。     

小型预燃室周向燃油喷射旋流扩散燃烧的数值模拟

针对航空发动机燃烧室采用高温空气燃烧技术时的高温贫氧空气来源问题,设计了一个基于周向燃油喷射扩散旋流燃烧的新概念小型预燃室,并就周向燃油喷管的布置方式对小型预燃室内旋流燃烧状态的影响进行了数值研究.CFD数值模拟结果表明,当燃油喷管与法向夹角为30°～45°、余气系数为1～1.23时,小型燃烧室内产生稳定、壁面温度分布合理的旋流扩散燃烧.获得了具有合理出口温度分布、速度分布和氧浓度分布的高温贫氧空气.该预燃室为发动机燃烧室使用高温空气燃烧技术提供了条件.     

贫燃预混旋流火焰PIV和OH-PLIF瞬态同步测量

为了研究贫燃预混旋流火焰流场与火焰结构特性,设计了强受限预混旋流燃烧器,搭建了PIV(粒子图像测速)和OH-PLIF(平面激光诱导荧光)瞬态同步测量系统。针对典型贫燃工况开展了瞬态同步测量研究,获得了多个截面的瞬态和时均流场速度和OH分布信息。研究表明:低当量比不稳定燃烧工况下,伴随着角涡回火现象,燃烧室底部角落存在明显火焰反应区;由于旋流拉扯效应导致OH分布结构边缘产生褶皱,并出现多个OH“孤岛”;旋流火焰外沿位于喷嘴射流的内侧剪切层;增加当量比,火焰流场结构与反应区分布与低当量比类似,但燃烧更稳定,火焰高度有所增加;内部回流区的经典双涡结构分裂为多个旋涡,存在旋涡进动、破碎的现象。     

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。      

旋流对固体燃料冲压发动机燃烧过程的影响

针对旋流数对固体燃料冲压发动机燃烧流场的影响，进行了不同旋流数(s=0,0.2,0.4,0.6)工况下固体燃料冲压发动机直连式试验研究，固体燃料采用高密度聚乙烯（HDPE），并对s=0.6和s=0两个工况进行数值仿真研究.试验和数值仿真结果表明:旋流的引入有助于火焰稳定，对提高补燃室压强和燃速有积极作用.在旋流工况下会使药柱表面热流密度高于无旋流，并使燃烧室中的化学反应更加充分.高强度旋流的引入会使燃烧更加充分，燃烧效率有所提高.      

典型工况下低排放燃烧室的压力振荡特性

为了研究低排放燃烧室在典型工况下的压力振荡特性,针对模型燃烧室进行了燃烧自激振荡特性试验.在试验中测量了采用贫油预混预蒸发(LPP)燃烧技术的低排放燃烧室在典型工况下的压力振荡频率和幅值,在燃烧室进口压力为1.10～2.77MPa、燃烧室进口温度为656～845 K、燃烧室压降为3.41％～4.35％范围内,分析了燃油粒径变化对振荡特性的影响.分析结果表明:局部当量比脉动是引发燃烧不稳定的因素之一.通过计算燃油二次雾化状态下的液滴最大粒径,发现燃油液滴粒径的变化对主燃级出口处的局部当量比脉动有直接影响,从而引起燃烧室压力振荡幅值和频率的变化.     

蒸发式稳定器燃烧不稳定性初步研究

对蒸发式火焰稳定器结构的模型燃烧室进行了燃烧不稳定性实验。实验中选取了3个当量比,分别为0.4545,0.5454,0.6363。每一个当量比中,值班级供油的比例从2%变化到36%,间隔为2%。利用动态压力传感器测量了不同当量比以及不同值班级供油比例时燃烧室内动态压力的频率和振幅。为了进行对比,在以上3个当量比时,也对普通V型稳定器进行了实验。结果显示,蒸发式稳定器激发了130Hz和203Hz两个不稳定模态。V型稳定器只激发了203Hz一个不稳定模态。总当量比不变时,随值班级供油比例的增加,除当量比0.6363工况的203Hz模态振幅呈现减小趋势,其他燃烧不稳定性模态的振幅均先增大后减小。对燃烧室进行了一维声学模态分析,130Hz和203Hz模态分别为系统的第2和第3阶纵向模态。     

分层比对分开分层旋流预混火焰结构的影响

为了充分认识分开分层旋流预混火焰的特性,实验研究了分层比（SR）对分开分层旋流预混火焰宏观结构的影响。实验以甲烷为燃料在常温常压下展开,通过改变分层比研究了用CH^*化学发光信号表征的火焰宏观结构的变化,包括稳火方式、焰锋、主释热区等。观察到火焰的稳火方式以及主释热区的位置发生了变化。在角涡回流区、台阶回流区和中心回流区的共同作用下,随着分层比的变化,分别在中心体下游、台阶内外沿和主燃级通道出口外沿存在稳火点,并依此首次提出和以往研究中分层旋流预混火焰相比不同的6种类型分开分层旋流预混火焰模式：Y型、V型、对称D型、多褶型、窄W型和宽W型。结果表明,火焰宏观结构受分层比影响而发生变化,可以用甲烷的富燃、贫燃和可燃极限来解释分层比对火焰宏观结构以及自激振荡的影响。     

旋流喷射器流动与燃烧特性研究

为了给低旋流喷射器(LSI)推广应用提供理论依据,自行设计具有两种旋流叶片角LSI。应用数值模拟方法确定不同LSI旋流数,旋流数范围为0.417~0.881。利用粒子成像测速(PIV)测试系统,对流通气流LSI在方形通道内展向平面和铅垂截面二维速度分布进行测试。对开放空间内低旋流喷嘴,流通甲烷气体和空气预混合燃烧特性进行实验研究。研究结果表明:当叶片角θ=37°,旋流数S≤0.576时,旋流诱导中心区域和周围空气旋转,形成具有中心区域和周围空气低速区域、中心低速区域分布特点的扩散流动。当叶片角θ=37°,甲烷和空气当量比φ=0.7,S≤0.576时,流通LSI气流产生与展向截面流场分布相似的中部凸起呈"W"型脱体蓝色火焰。随着旋流数S增加,在0.576≤S≤0.588范围内,火焰与喷口间的距离缩短,火焰转变为"扫帚"型火焰。当S=0.623时,形成高旋流贴体火焰。增大旋流叶片角,流场的扩张角增加,环形旋流区和中心直流区轴向速度沿中心轴衰减更快。     

喷水射流预冷对加力燃烧室特性影响分析

为了探究采用射流预冷技术之后加力燃烧室性能，开展了不同喷嘴布置方案、喷水量和来流温度对预冷效果的影响研究。对射流预冷发动机工作过程进行了简化，建立了加力燃烧室进口前段射流预冷喷水特性计算的数学模型。同时搭建了小型试验台，通过与试验结果的比对验证了该模型的准确性，并利用该模型对射流预冷效果进行了仿真预测。结果表明：提高喷嘴数量与布置均匀性能够小幅度改善预冷效果；当来流温度不变时，射流预冷喷射腔室出口处的液态水蒸发量随着喷水量的增加而提高，但蒸发率却处于下降的趋势；当喷水量达到2%时，加力燃烧室燃烧效率对比不喷水工况会有一定的提升；喷水量达到4%以后，加力燃烧室出口温度及燃烧效率随着喷水量的提高而降低；喷水量大于8%以后，恶化了加力燃烧室（V型火焰稳定器）贫油熄火极限与燃烧效率；喷水量达到最大10%时，油气比需从原来设计工况的0.052上升到0.064才能保持稳定点火且对比不喷水时工况，加力燃烧室出口温度由1860K下降到1373K，燃烧效率由80.2%下降到69.2%。     

中心分级预混旋流火焰燃烧噪声的实验研究

针对中心分级旋流燃烧器中预混甲烷火焰在常温常压下的燃烧噪声进行了实验研究,主要关注实验工况和限制域结构对燃烧噪声的影响。用声级计测量了燃烧噪声声压级,用带有CH^*滤镜的单反相机拍摄火焰的平均图像。实验结果表明,在主、预燃级空气流量恒定时,总当量比与分层比对燃烧噪声产生了显著的影响,氢气掺入对燃烧噪声无明显影响;预燃级当量比对于燃烧噪声的产生起关键作用,预燃级当量比越接近1.00燃烧噪声越大;相同工况下,预燃级空气流量分配越多,产生的燃烧噪声越大。改变火焰限制域的结构,使用锥形火焰筒可以减少燃烧噪声的产生。本研究还结合带有CH^*滤镜的摄像机拍摄的火焰图像,初步分析了燃烧噪声与火焰宏观结构之间的对应关系。     

双燃烧室冲压发动机亚燃室设计与实验研究

在来流马赫数2.5,总温为285K的条件下,对于带亚燃预燃和流向涡掺混的超声速双燃烧室的亚燃室,进行了计算流体力学正问题设计研究以及实验验证研究.结果表明,亚燃室通过采用内压式三波系进气道、前部集中式主燃孔的火焰筒、增大了的亚燃室体积和火炬流喷口截面积、增设的V型火焰稳定器,使亚燃室内流场组织合理,解决了进气道的热态失速问题,得到了稳定的亚燃室燃烧和达到设计状态的火炬流喷射.     

贫燃预混旋流火焰的模态转换燃烧不稳定特性分析

为进一步研究燃烧室燃烧不稳定特性,通过实验对贫燃预混旋流火焰的燃烧不稳定性模态转换现象进行了研究。在贫燃的情况下进行了甲烷-空气预混旋流燃烧实验,用动态压力传感器测量火焰场动态压力,用光电倍增管捕捉CH~*化学发光,用4kHz频率的高速摄像记录火焰图像。发现当量比渐增到0.72附近时,燃烧有明显的模态转换,压力脉动主频由264Hz突变为187Hz,脉动幅值大幅增加。采用本征正交分解法得到各模式空间分布,通过模态系数进行快速傅里叶变换(FFT)分析,得到流场时间分布特征。发现模态转换前平均火焰为喇叭形,转换后为"M"型,模态的转换与涡脱落模式有重要关系。     

单边扩张燃烧室燃烧非对称及非稳态现象研究

为了探究单边扩张超声速燃烧室在不同当量比下出现的多种模态及其内在机理,通过实验和数值模拟,对该构型燃烧室在并联凹腔对称喷注的工况下进行了系统研究。实验中,隔离段来流入口马赫数为3.46,来流总温为1486K;采用乙烯作为燃料,当量比范围从0.26到0.51。结果表明:燃烧室工况随着当量比的上升而改变,且可分为三个模态。当量比较低时(0.26),形成只有剪切层内有火焰的对称燃烧。当量比较高时(0.51),形成上凹腔为凹腔内燃烧、下凹腔为剪切层燃烧的非对称燃烧。当量比适中时(0.4),火焰在上下凹腔间来回震荡。在非稳态过程中,预燃激波串沿燃烧室轴向做周期性往复运动,定量分析表明火焰震荡的频率约为170Hz。燃烧震荡来源于分离区喷注与燃烧的耦合效应,震荡机制与涡无关,可能是由声振机制引起的凹腔自激震荡。     

并联凹腔火焰稳定器超声速燃烧特性实验研究

为研究并联凹腔火焰稳定器的超声速燃烧特性,通过在凹腔上游喷注乙烯,采用单边扩张型燃烧室在当量比φ=0.43~1.07内进行了一系列直连式燃烧试验。模型燃烧室入口参数为Ma=3.46,总温Tt=1430K。基于燃烧室壁面静压分布、推力增益、燃料比冲和燃烧流场的可见光与纹影图像分析了并联凹腔在不同当量比下的火焰结构、流场特征和燃烧性能。结果表明,上、下壁面凹腔附近的流动条件差异显著,燃烧过程与当地流动条件之间的强烈耦合作用使得燃烧室内火焰分布显著不对称。发动机燃烧性能对当量比十分敏感,壁面静压水平和推力增益随当量比增加持续升高,但φ=0.43~0.62时的增加速率远大于φ=0.76~1.07时的。φ=0.43~0.62时,燃料比冲和燃烧效率随当量比增加而升高;而φ=0.76~1.07时,燃料比冲和燃烧效率随当量比增加而降低。     

掺氢功率比对富氢甲烷燃烧振荡特性的影响

为探究工程应用中富氢甲烷对燃烧振荡的影响,在北航BASIS燃烧器上针对富氢甲烷的中心分层火焰展开实验研究。分析主燃级当量比、预燃级当量比、主燃级掺氢功率比(氢气功率与主燃级燃料功率的比值)对燃烧振荡的影响。保持预燃级空气流量为2g/s,主燃级空气流量为10g/s,围绕主燃级当量比、预燃级当量比、主燃级掺氢功率比进行24个工况下的128组试验。试验对火焰压力脉动的振幅与频率进行测量,并结合火焰宏观形状进行分析研究,发现对于大多数当量比的工况,富氢甲烷火焰都处于同一模态,出现火焰分层现象但不产生燃烧振荡。主燃级当量比?_main=0.6与0.55时,富氢甲烷火焰脉动振幅随掺氢比加大,先增后减,分别有42%和32%的工况发生燃烧振荡。?_main=0.5时,燃烧振荡只在高预燃级当量比(?_pilot)、高掺氢比时发生,仅有7%的工况出现燃烧振荡。因此,为实现更大的减碳比例,在不改变燃烧器构型的情况下,大掺氢功率比燃烧需要工作在主燃级和预燃级非常贫油的条件下。在部分工况中,掺加氢气可以在一定程度上减弱热声振荡的强度。     

分级燃烧室预燃级旋流组织对点熄火性能影响的试验研究

为了有效拓宽多级旋流分级燃烧室的稳定工作边界,在模型燃烧室上开展了分级燃烧室点火和熄火特性试验研究,采用平面激光测量技术获得了燃烧室冷态流场结构和燃油浓度分布,分析了双级旋流预膜式空气雾化预燃级设计参数(两级旋流旋向、旋流强度)对流场结构、燃油浓度分布和燃烧稳定性的影响,并阐明了燃烧室点火和熄火特性与流场结构和燃油浓度分布的内在关联机制。结果表明,预燃级两级旋流反旋、适当减小内级旋流强度和增大外级旋流强度有利于改善这类分级燃烧室的点火和熄火特性。相关研究结论能够应用于分级燃烧室预膜式空气雾化预燃级设计。     

航空发动机加力燃烧室技术及新颖结构方案

传统发动机加力燃烧室都采用V型火焰稳定器组织燃烧,自加力出现到第三代发动机,该方案一直得到了广泛应用。随着新一代歼击机性能指标的提高,发动机加力燃烧室需要新的突破才能满足更高推重比的要求。本文介绍了第三代、第四代发动机加力燃烧室的结构方案,并根据新一代加力燃烧室一体化设计思想,介绍了新颖加力燃烧室的结构方案。