贫油预混预蒸发低污染燃烧室流场特性试验

采用粒子图像测速(PIV)技术测量带双环旋流多点燃油直接喷射(TAMI)头部的贫油预混预蒸发(LPP)低污染燃烧室流场特性,试验相同进口条件下冷态及喷雾燃烧时流场结构,通过分析平均流场涡量、湍流强度及切应变率等特性参数来详细说明喷雾燃烧对贫油预混预蒸发(LPP)低污染燃烧室流场的影响,并且研究了不同进口参数对其燃烧流场的影响.试验结果表明:①装有此头部的LPP低污染燃烧室喷雾燃烧流场回流区比冷态流场要小,并且平均流场特性参数在燃烧前后变化比较大;②随着进口油气比增加,中心回流区变短变胖;③随着进口空气量增加,回流区变窄变长.本试验所获得的流场特性结果可为低污染燃烧室的设计提供了一定的参考.      

LPP低污染燃烧室两相喷雾燃烧数值研究

提出一种带有多点燃油直接喷射双环预混旋流(TAPS/MLDI)头部的贫油预混预蒸发(LPP)低污染圆筒燃烧室,为了获得该燃烧室两相喷雾燃烧流场与燃烧性能,利用Fluent数值研究三种LPP燃烧室头部方案和四种进口工况.计算结果表明:(1) LPP燃烧室头部冷态流场存在中心回流区、角落回流区和唇口回流区,流场结果与PIV试验结果吻合较好.(2)在头部方案不变的情况下,工况从100％推力下降到7％推力时,出口平均温度逐渐下降,污染物NOx排放相应减少.(3)在进口工况不变时,头部方案B燃烧性能相对最优.(4)热力型NOx的生成速率与燃气温度超过1950K区域的大小和最高燃气温度直接相关,热力型NOx的生成主要分布在火焰锋面附近.     

LPP低污染燃烧室两相喷雾燃烧性能数值研究

采用Fluent软件对贫油预混预蒸发(LPP)低污染燃烧室两相喷雾燃烧流场、温度场和污染排放性能进行数值计算.在副模结构保持不变时,LPP低污染燃烧室头部在相同工况下,数值研究不同的主模旋流角度对燃烧流场、温度场以及污染排放的影响.采用标准的k-ε模型对湍流黏性进行模拟,采用离散相模型对油珠颗粒的运动轨迹进行追踪,采用非预混平衡化学反应模型来模拟化学反应速率.数值计算结果表明:①在LPP低污染燃烧室头部存在明显的中心回流区、角回流区和唇口回流区;②中心回流区外形呈橄榄形状,并且回流区长度都较长,随着主模旋流角度的增大,中心回流区逐渐变胖且变短,角回流区则逐渐变小;③随着主模旋流角度增大,压力损失也随之增大;④热力型NOx生成的速率与燃烧温度超过1950K区域的面积大小和最高的燃气温度有直接的关系,在副模和主模火焰锋面附近,由于燃烧温度高,是热力型NOx的集中分布区域;⑤出口温度分布系数随着主模旋流角度的增加呈现出先减少后增加的趋势,且主模旋流角度为45°(C方案)时出口温度分布系数最小,即C方案的出口温度分布最均匀;⑥在相同的工况下,C方案燃烧性能相对最优.      

弱旋流对LPP燃烧室下游流场影响的数值研究

为了解弱旋流燃烧下游的流场特性及其对贫油预混预蒸发(LPP)燃烧室的影响,采用数值模拟方法,对6种不同旋流器流道特征的弱旋流燃烧室三维冷态流场进行数值模拟。结果表明,旋流器流道特征对下游流场特性产生较大影响,不同叶片通道的旋流器下游中心回流区的形状、尺度、速度梯度和全流场速度分布均呈现出不同特征。主模旋流器旋流数低于0.51时,中心回流区基本相同且尺度较小,主要由副模旋流控制;主模旋流器旋流数增至0.59时,旋流器下游形成了由主模旋流控制的更大的中心回流区。     

旋流预混预蒸发装置蒸发和排放特性

采用数值模拟和试验两种方法获得了两种结构的贫油预混预蒸发装置(Lean premixing and prevaporizing system,简称LPP)出口的油气混合均匀性,并采用单管燃烧室验证了LPP装置的燃烧特性.径向旋流预混装置出口的油气混合比轴向旋流预混装置更均匀;旋流器的叶片数和旋流角、预混管长度、气流速度、喷油方式等对油气混合均匀性均有比较显著的影响;在当量比高至0.5左右时,LPP燃烧室NOX和CO排放比传统燃烧室低得多;只要LPP装置出口存在回流,燃烧时就会出现回火现象.      

LPP低污染燃烧室单头部燃烧性能试验

对贫油预混预蒸发(LPP)低污染燃烧室单头部三级旋流器进行燃烧性能试验,研究不同的油气比、进口空气流量和进口空气温度以及值班级喷嘴安装位置对燃烧室出口截面燃烧性能的影响,获得了燃烧室出口截面温度分布、燃烧效率以及污染物排放的规律.试验结果表明:①油气比增加,NOx排放相应增加;头部A燃烧性能稍优于头部B;②同一油气比下进口空气温度越高,其燃烧污染物排放越多;进口空气流量越大,污染物排放越少;③值班级喷嘴安装位置对LPP低污染燃烧室燃烧性能有一定影响.      

直混燃烧与LPP组合燃烧室数值研究

设计了直混燃烧与贫油预混预蒸发(LPP)组合的单管燃烧室.燃烧室头部采用同轴同旋向主模旋流器和副模旋流器结构,主、副油路分别采用直射式喷嘴和压力雾化喷嘴,可以在单管燃烧室上掌握和实现低污染燃烧排放控制技术,并采用Fluent软件对设计的单管燃烧室模型进行数值模拟.计算结果表明:主副模燃烧区相互独立;副模是直混燃烧,主要作用稳定火焰.主模是预混燃烧,燃烧区温度分布均匀,从而实现低NO_x排放.解决了大工况下低NO_x排放与慢车贫油熄火之间的矛盾.      

主燃级旋流数对中心分级燃烧室流场的影响

为了研究中心分级燃烧室的流场特性及主燃级旋流器旋流数对中心回流区的影响,采用数值模拟方法对2种不同主燃级旋流数的头部结构下的出口流场开展了对比研究,并进行了试验验证。结果表明:主燃级部分旋流气体与预燃级掺混,参与影响中心回流区的形成;主燃级旋流数的变化对头部流场分布有显著影响。主燃级旋流数减少,使主燃级径向尺寸增加,径向分区明显;使预燃级回流区位置后移,涡心向火焰筒中心靠拢。     

中心分级燃烧室雾化特性试验研究

为了研究中心分级燃烧室雾化特性,设计中心分级燃烧室头部进行雾化特性试验研究。头部预燃级采用贫油直接喷射,主燃级采用预混预蒸发。试验采用了相位多普勒粒子分析仪测量液滴粒径及速度,用10μm以下的小液滴速度近似流场速度。实验结果表明:流场具有中心回流区(PRZ)、唇口回流区、角落回流区(CRZ)、预燃级高速射流区及主燃级高速射流区等结构;流场结构对称且受工况改变影响较小;大液滴集中在中心回流区及角落回流区。中心分级燃烧室不同于其他分级燃烧室,其具有特殊的流场结构及燃油雾化分布规律;在近场流场区域65μm～75μm液滴集中在PRZ区域和CRZ区域;近场区域内Case 4雾化D32是Case 3的60%。     

第2级径向旋流器旋流数对燃烧室点火和贫油熄火性能的影响

双级旋流器是航空发动机燃烧室头部产生回流区所采用的主要形式,研究主要考察第2级径向旋流器的旋流数对点火与燃烧稳定性能的影响,数值模拟结果能够较好地匹配第2级径向旋流器设计参数.试验研究表明:第2级径向旋流器旋流数的改变对燃烧室点火性能无影响;但减小该旋流数会对贫油熄火性能产生明显地改善,旋流卷吸效果会影响回流区火焰稳定.减小第2级径向旋流器旋流数,使下游卷吸量增加,回流区流动与火焰匹配更好,更有利于燃烧稳定性的提高.      

Influence of coupled characteristics on the internally staged combustor under low power operation

An ultra low emissions combustor, namely low emission stirred swirl (LESS) combustor was studied, based on a scheme of internally staged/lean premixed and prevaporized (LPP) combustion. The LESS combustor consists of central pilot stage and outer surrounded coaxially main stage, between which there exists a physical isolation, namely the step height. The existence of step height delayed the pilot and main jets mixing. Experimental and numerical studies were carried out to investigate the influence of the step height on the combustion performance. A single dome rectangular combustor was utilized to conduct the lean lightoff and blowout experiments, and pollutant emission experiments. The experimental results showed that with the increase of step height by 38%, the lean lightoff and blowout fuel air ratio decreased by 574% and 375%, the NOx emission increased by 35.1%, and the combustion efficiency increased by 1.78%; while the CO,unburned hydrocarbons (UHC) emissions decreased. Furthermore, the total pressure loss was kept nearly constant. Non reacting and reacting flow fields were numerically investigated to analyze the coupled characteristics of pilot and main jets with different step heights. A comparison of flow characteristics, spray structure, and combustion component as well as temperature field with different step heights was conducted. The numerical results showed that the increase of the step height shifted the peak velocity outwards. The enlargement of the primary recirculation zone (PRZ) resulted in the increase of the combustion efficiency and NOx emission, while the CO, UHC emissions decreeased.      

CFD Study of NO_x Emissions in a Model Commercial Aircraft Engine Combustor

Air worthiness requirements of the aircraft engine emission bring new challenges to the combustor research and design. With the motivation to design high performance and clean combustor, computational fluid dynamics (CFD) is utilized as the powerful design approach. In this paper, Reynolds averaged Navier-Stokes (RANS) equations of reactive two-phase flow in an experimental low emission combustor is performed. The numerical approach uses an implicit compressible gas solver together with a Lagrangian liquid-phase tracking method and the extended coherent flamelet model for turbulence-combustion interaction. The NOx formation is modeled by the concept of post-processing, which resolves the NOx transport equation with the assumption of frozen temperature distribution. Both turbulence-combustion interaction model and NOx formation model are firstly evaluated by the comparison of experimental data published in open literature of a lean direct injection (LDI) combustor. The test rig studied in this paper is called low emission stirred swirl (LESS) combustor, which is a two-stage model combustor, fueled with liquid kerosene (RP-3) and designed by Beihang University (BUAA). The main stage of LESS combustor employs the principle of lean prevaporized and premixed (LPP) concept to reduce pollutant, and the pilot stage depends on a diffusion flame for flame stabili-zation. Detailed numerical results including species distribution, turbulence performance and burning performance are qualita-tively and quantitatively evaluated. Numerical prediction of NOx emission shows a good agreement with test data at both idle condition and full power condition of LESS combustor. Preliminary results of the flame structure are shown in this paper. The flame stabilization mechanism and NOx reduction effort are also discussed with in-depth analysis.     

贫预混燃烧室化学反应器网络模型建模及不确定性分析

基于CFD三维数值模拟结果的化学反应器(CRN)网络模型方法具有快速预估燃烧室NOx排放的特点。研究通过CFD数值模拟手段获得了贫预混燃烧室流场、温度场等特征分布,基于燃料空气掺混特性、速度场、温度场、OH分布以及达姆科勒数,燃烧室被离散划分为预热区、火焰锋面区、火焰过渡区、后火焰区、中心回流区以及角回流区,建立了复杂的CRN模型表征燃烧室内部的流动特征和火焰结构。以贫预混燃烧器为对象,与实验结果进行了对比验证。通过敏感性和不确定性分析获得了反应区域停留时间和烟气回流比例等关键参数对NOx排放的影响规律。结果表明:CFD-CRN混合方法更适用于在高当量比条件下贫预混燃烧室NOx排放的快速有效预测。在相同扰动强度的条件下,反应预热区域和火焰锋面区域的停留时间扰动对CRN模型预测NOx的生成量和稳定性影响更显著。CFD-CRN混合方法应明确在较高的绝热火焰温度条件下烟气回流比的准确性计算及其对NOx生成的显著影响。      

分级/预混合预蒸发贫油燃烧低污染方案NOX排放初步研究

对分级/贫油预混合预蒸发低污染燃烧方案的氮氧化物排放进行了初步试验研究,主要目的是考察贫油预混合预蒸发级降低污染排放的能力。预燃级是常规双涡流器空气雾化喷嘴,主燃级是空气雾化喷嘴雾化燃油,配装蒸发管,头部涡流器组织燃烧。燃油为RP-3航空煤油。采用单头部燃烧室,工况模拟了燃烧室进口温度(800K)、进口速度和总油气比,压力为常压。研究结果表明,旋流式贫油预混合预蒸发燃烧的主燃级有降低氮氧化物的潜力,相对于常规燃烧组织方式,能够降低NO_X排放量为60%,同时发现,燃油分级比例对NO_X降低也有很大影响。      

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.      

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。