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。     

边界条件对双级旋流器下游涡量的影响

使用PIV实验和CFD数值模拟的方法研究多个双级旋流器和单个双级旋流器下游的冷态流场,对比分析两种情况下,速度场分布、漩涡结构和涡量的变化规律,获得边界条件对双级旋流器下游漩涡结构的影响规律。PIV实验与CFD数值模拟结果在中心漩涡结构和涡量的变化规律上吻合得较好;单个旋流器情况下,由于旋流器和壁面之间的相互作用形成了两对角涡,多个旋流器情况下,由于旋流器旋流之间的相互作用而形成了一个旋流器边界区域漩涡(边界涡);单个旋流器情况下的中心漩涡涡强在主燃孔射流之前始终低于多个旋流器情况,其中,距离旋流器出口10mm处,数值模拟结果显示单个旋流器中心漩涡涡量是多个旋流器的92.4%,而PIV实验结果显示该值为90.0%;单个旋流器情况下主燃孔射流对中心漩涡的加强作用较多个旋流器更加显著。正是由于不同边界条件下,外围流体处的漩涡结构不同导致了中心漩涡涡量变化规律不同。     

气量分配对双级轴向旋流器性能影响的试验研究

为研究一、二级气量分配对双级轴向旋流器流量特性及出口流场的影响,对不同气量分配的双级轴向旋流器开展了流量特性试验和PIV试验研究,获得了气量分配对旋流器流量、流量系数和出口流场的影响规律。试验结果表明:相同空气压差下,随着节流面积的增大,一级流量系数减小,二级流量系数变化不显著。一、二级面积比小于0.75时,一级流量系数大于二级流量系数;面积比大于0.75时,二级流量系数大于一级流量系数。随着一、二级气量比的增大,旋流器出口下游回流区速度降低,回流区外侧扩张锥面轴向速度和径向速度均降低,中心回流区变小。中心线轴向速度随气量比的增大先增后减。     

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。     

三级轴向旋流燃烧室流场结构研究

为深入了解燃烧室内流场,研究不同来流状态对燃烧室流场结构的影响,基于粒子成像速度仪(PIV)技术,对采用三级轴向旋流器的航空发动机燃烧室进行流场测量,分别在Case 1常温低压(0.49MPa)、Case 2常温中压(0.98MPa)、Case 3常温高压(1.64MPa)、Case 4全状态(高温813K高压2.78MPa)来流条件下进行。研究结果表明,同一燃烧室模型在不同速度、温度和压力来流下有基本相同的流场结构,但在中心回流区尺寸、角落回流区尺寸、主燃孔和掺混孔射流等细节方面仍有明显差异,来流压力较高的流场中心回流区向下游扩展更深入,角落回流区被压缩,主燃孔和掺混孔射流速度增加且进气比例增大。     

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。     

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。     

收口套筒主燃区流场的PIV测量

在常温常压下,采用PIV技术测量了旋流器套筒为收口套筒时单头部矩形燃烧室主燃区的流场,获得了主燃区速度场和涡量场的详细信息.试验结果表明收口套筒形成了小尺度回流区大角涡的主燃区流场结构;收口套筒对旋转气流的收缩作用可以很好的改善燃烧室内油气的混合.      

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.      

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.      

偏心对双级旋流器出口流场影响试验

为了研究双级旋流器在不同偏心量下的冷态流场变化,设计了4种偏心量(分别为0,0.5,1.0,1.7mm偏心)的双级旋流器试验件,并采用粒子图像测速仪(PIV),测量了不同偏心量下流场.试验结果表明:0.5mm偏心下的流场较无偏心下变化较小,但当偏心量大于0.5mm时,双级旋流器出口下游规则的双涡结构变得不对称,并且中心回流区变窄,流场与无偏心下相比差别较大;偏心对双级旋流器出口下游径向速度分布影响较大,在双级旋流器出口X/D=0.5轴向位置附近,当偏心量大于0.5mm时气流径向速度分量变为正向峰值.      

流通面积比对旋流杯油雾速度场的影响

设计了3种不同一二级流通面积比的旋流杯试验件，在气压自模区工况下，运用粒子图像测速仪（PIV）对其出口油雾速度场进行测量，研究了不同流通面积比对旋流杯出口油雾速度场的影响，分析了油雾速度场的结构及其速度分布的变化规律。结果表明:随着一二级流通面积比的增加，旋流杯出口油雾速度场呈现出回流区面积和回流区长度逐渐变小、回流速度逐渐变大、出口射流张角逐渐减小的趋势。此外，从径向速度沿径向分布可以看出，随着流通面积比的增加油雾速度场的抗偏斜能力具有增强的趋势。      

基于PIV技术对三级旋流杯燃烧室流场的测量

参照单级旋流器设计方法,设计4种三级旋流杯中不同叶片数和叶片安装角第三级旋流器,采用particle image velocity(PIV)技术对三级旋流杯燃烧室流场进行研究.研究结果表明:随着第三级旋流器叶片安装角和叶片数的增加,主燃区的轴向速度逐渐变小,使得主燃孔射流作用增强;在同样叶片数情况下,增大第三级旋流器叶片安装角,使旋流强度增强;对于第三级旋流器不同安装角、第三级旋流器叶片数增加都使轴向速度变化趋于平缓,使燃烧室内主流受主燃孔射流扰动影响较小,流动更平缓.      

应用PIV技术测试模型环形燃烧室流场

采用粒子图像测速仪(PIV)测量带双级旋流器模型环形燃烧室内冷态和燃烧流场,试验研究不同进口气流温度对其冷态和燃烧流场内回流区的形成以及气流速度分布的影响,试验结果表明:燃烧室燃烧流场内回流区长度要比冷态流场短,燃烧流场的脉动速度明显大于冷态流场;另外随着进口气流温度增加,燃烧室冷态和燃烧流场的回流区长度都稍有减少.      

不同进口雷诺数下双旋流杯下游回流区特征

为了分析旋流杯下游流场结构对航空燃气轮机燃烧室性能影响的作用,利用PIV(激光粒子测速仪)技术,在常温常压下对双旋流杯下游冷态流场进行测试,研究进口雷诺数对双旋流杯下游回流区的影响.试验结果表明:当进口雷诺数较低时,下游流场结构为收扩型;当进口雷诺数增大到25000后,流场结构变为扩张型;之后继续增加进口雷诺数,回流区流场结构不再改变,但回流区内的无量纲回流速度会随之增加.      

航空涡轮发动机燃烧室内流场的PIV测量

设计了一种基于旋风分离原理的高压粒子发生器，并成功应用于高压状态下的航空涡轮发动机燃烧室内流场的PIV（粒子图像测速法）测量.在氢氧燃烧加热来流温度为813K、燃烧室压力为2.78MPa条件下，应用PIV技术开展了航空涡轮发动机单头部燃烧室复杂内流场测量研究，实现了高温高压条件下强旋流、强扰流、宽速域流场的PIV测量，获得了接近燃烧室工作压力工况下的流场速度和流场精细结构.结果表明:该型燃烧室内流场存在多处旋涡结构，形成回流区；流场旋流作用强，横截面流场存在顺时针大涡；主燃孔射流和掺混孔射流作用明显，射流穿透深度较大，对流场结构影响显著；高温高压状态下，流场结构与常温中压状态类似.      

尾缘吹气式火焰稳定器时均流场

为了对尾缘吹气式火焰稳定器的流场进行研究,在低速风洞中利用二维在线式互相关PIV系统,对新型稳定器及V型稳定器的近尾迹流动进行了测量,考察了可控横向射流气动参数及射流方向对新型稳定器流场的影响.结果表明,尾缘吹气式火焰稳定器与V型火焰稳定器的流场特性基本相似,但吹气射流扩大了回流区,增加了回流率和湍流脉动速度;同时发现,射流与来流动量比是影响新型稳定器后流场的主要气动参数。     

基于PIV的中心分级燃烧室冷态流场试验

为了掌握中心分级燃烧室流场特性,利用粒子图像测速仪（PIV）对中心分级燃烧室的冷态流场进行试验,对具有不同流通面积的主模旋流器和副模旋流器出口流场进行了对比。结果表明：在压降相同条件下,副模旋流器单独工作时流过的空气流量约占主、副膜旋流器同时工作时的1/3;副模单独工作时,流场中无明显回流区,这表明副模旋流器主要作用是在燃烧室头部提供高速气流与燃油喷嘴喷出油雾颗粒充分混合形成油气混合物;在压降不变的条件下,随着主模旋流器流通面积的增加,空气流量增大,燃烧室头部流场分布受流通面积影响显著;在流通面积不变的条件下,随着供气压降的提高,空气流量增大,流场中旋转回流区位置向燃烧室头部方向移动,面积减小,中心回流区位置基本不变,回流速度加快。     

射流控制反推力装置流场数值研究

针对涵道比为8的涡扇发动机无阻流门叶栅式反推装置,利用CFD技术,计算分析了二次射流孔的位置、角度、孔数以及流量对反推力性能和外涵通道内流场流动特征的影响。计算结果表明:外涵流体与二次射流相互作用后,在二次射流下游产生了一个主涡和副涡,阻碍外涵气体向下游流动;射流孔位置对涡扇发动机的影响不仅体现在反推力效率,而且影响上游风扇后的气体压力不均匀度和背压;二次流射流角度对反推力性能的影响在诸多影响因素中占主导地位,存在一个最佳射流角度;二次流质量流量增加,反推力效率呈增加趋势;二次流入射孔的个数关系到相邻入射气流在周向的覆盖程度,从而影响反推效率;二次流射流位置、角度以及流量对反推性能的影响是相互耦合的,在反推力装置设计时需要综合考虑三者间的相互影响;在研究参数范围内,最佳的射流孔位置范围L=110mm~150mm,最佳射流角度α在10°~20°范围内。     

旋流数组合对三级旋流流场的影响

采用2D-PIV流场测试技术,试验研究了旋流数组合方案对流场特性的影响。试验针对旋向组合为“顺时针-逆时针-逆时针”的三级旋流器,测量了内级、中间级和外级旋流器旋流数分别为0.6,1.0,1.4(方案A)和1.4,1.0,0.6(方案B)两旋流数方案旋流流场。同时测试了不同来流雷诺数条件下两方案三级旋流器总压损失。试验结果表明:两旋流数组合方案均能形成较明显的中心回流区,方案B中心回流区较方案A“饱满”,方案B中心回流区回流速度大;进口雷诺数对旋流器流场中心回流区长度、尺寸有一定的影响;不同进口雷诺数条件下,方案A总压损失系数较方案B约大10%。