中心分级燃烧室头部冷态流场特性实验研究

为了深入研究中心分级燃烧室的流场特性,采用PIV方法对其头部冷态流场开展了实验研究,重点分析了中心分级燃烧室头部流场的结构特征以及主燃级旋流数对头部流场的影响。实验结果表明：中心分级燃烧室头部典型流场结构形成一个较大的中心主回流区、较小的端部回流区及角回流区,主、预燃级气流的相互耦合过程分为独立射流、气流掺混和气流合并三个阶段。主燃级旋流数对头部流场结构影响较大,随主燃级旋流数增大,主、预燃级气流耦合作用减弱,回流区分布形态发生较大变化,新的流场结构特征为中心主回流区范围明显收缩,端部回流区向下游延伸,在主、预燃级之间剪切层形成较长回流区。针对该中心分级燃烧室头部,主、预燃级气流由耦合流动变为解耦流动的临界主燃级旋流数为0.8~1.0。     

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%。     

燃油脉动对温度场影响的数值研究

为了研究燃油脉动对燃烧室温度场的影响,分别对燃油脉动在均匀进口、径向速度畸变进口和周向速度畸变进口中进行了瞬态模拟,分析了燃油脉动在不同进口速度流场中对燃烧室温度场的影响。结果表明:燃烧室出口温度参数随燃油脉动变化呈现出相似的变化规律,但这种响应具有一定的滞后性;燃油脉动造成主燃孔区域燃烧不合理,使得主燃孔截面温度品质降低,出口径向温度分布系数FRTDF产生波动;燃油脉动和进口速度畸变不仅改变了燃烧室出口温度在径向和周向的分布,而且会使在叶尖和叶根处存在高温区,降低涡轮强度;燃油脉动在径向畸变进口中的影响程度最大。     

单头部模型燃烧室燃烧组织及NOx排放

采用光学诊断与三维数值模拟结合的方式,研究了中心分级贫油预混预蒸发模型燃烧室燃烧组织与NOx生成特征。试验测量了模型燃烧室流速、燃油、OH和NO组分浓度分布。通过与试验结果对比,采用基于雷诺平均Navier-Stokes方程的方法对流场的预测误差为13.9%,喷雾张角预测误差为6.0%,预测的OH和NO组分分布特征与试验测量结果基本一致。数值结果表明,在单头部模型燃烧室中,主、预燃级火焰以弱耦合的方式组织燃烧,且大部分NO在预燃级高温区域生成。燃油分级比的变化（0.15～0.30）不影响燃烧室流动与火焰分布特征,但对燃烧室出口NOx生成量有一定影响,NOx生成量随着分级比增大而减少。     

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。     

中心分级燃烧室主燃级设计参数的试验研究

为研究中心分级燃烧室的主燃级设计,本文设计了多个主燃级方案,并在单头部燃烧室试验件上开展试验研究。试验结果表明：燃油飞行时间对燃烧效率影响最大,喷点个数和旋流数对燃烧效率也有一定的影响,级间距对燃烧效率的影响主要体现在小状态;级间距、喷点个数对NOx排放影响最大。在本次研究的试验方案中级间距变化对燃烧稳定性的表现有明显的影响。     

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。     

双旋流器燃烧室NOx生成研究

通过试验和数值模拟方法研究不同进口油气比与温度以及主燃孔布局变化对双旋流模型燃烧室两相燃烧整体流场、出口温度丁以及污染物NO_x排放的影响.采用二维粒子图像测速仪(PIV)测量燃烧室内热态流场,用多点温度耙和取样管测量燃烧室出口温度T与NOx在非结构网格体系下,采用Fluent商业软件对燃烧室三维两相燃烧流场和NO_x分布进行计算.计算结果与试验数据符合较好,表明不同油气比、进气温度和主燃孔布局变化对模型燃烧室两相燃烧整体流场、出口温度T与NO_x排放都有一定的影响,并随着油气比与进气温度增加,燃烧室出口温度T与NO_x排放也相应地提高.      

预燃级对TeLESS Ⅱ燃烧室冒烟排放的影响

对不同预燃级结构的TeLESS Ⅱ燃烧室冒烟排放性能进行了研究。通过燃气分析试验方法分别考察了预膜空气雾化喷嘴和离心喷射空气雾化喷嘴在预燃级单独工作和主预燃级同时工作时的冒烟排放。结果表明在预燃级单独工作时,预燃级结构对冒烟排放性能影响较大,而在主预燃级同时工作时影响较小。通过数值模拟对两种预燃级结构在预燃级单独工作时的冒烟排放差异进行了分析,发现预燃级结构改变了燃油在主燃区内的分布,两种方案在主燃区内生成的碳烟前驱物乙炔质量分数和分布位置存在明显差异,最终导致燃烧室出口冒烟排放不同。      

台阶高度对LESS燃烧室的影响研究

一种单环腔中心分级低污染燃烧室,由中心的预燃级和外围的主燃级构成,在主预燃级之间存在一定的物理隔离(台阶高度),为了研究主预燃级之间不同台阶高度对氮氧化物(NOX)排放的影响,在慢车工况参数下,采用单头部矩形试验件进行了污染排放测试试验,并利用Fluent商用软件进行了冷态流场和热态燃烧性能的数值模拟分析。结果表明:台阶高度对NOX排放有很大影响,当台阶高度增大38%,中心回流区表面积增大6.7%,体积增大16.4%,轴向长度有所减小,NOX排放指数升高35.1%。     

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.      

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.      

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。      

超燃冲压发动机燃烧室流场数值模拟

对台阶和凹腔组合的超燃冲压发动机燃烧室结构进行了数值模拟分析。在冷态流场中,分析了组合结构流场特性和激波特点,同时对以氢气为燃料的燃烧室流场进行了数值模拟。模拟结果表明：台阶下游和凹腔处存在有利于燃烧和火焰稳定的回流区,能够增强凹腔卷吸的效果,从而可以增强燃料的混合;在燃烧流场中,凹腔是火焰稳定的主要区域,燃烧效率较高,此结构能够很好地起到增强燃烧的作用。     

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.      

低排放燃烧室NO_x排放试验及预测方法研究

为了研究中心分级贫油低排放燃烧室的排放特性和排放预测方法,针对一个低排放头部方案,在单头部燃烧室试验件上,在不同的温度、压力、油气比、供油模式和分级比条件下,测量其排放性能。以Lefebvre排放经验预测公式为基础,采用经验分析方法拟合排放试验数据,归纳出适用于本头部方案的排放预测公式。表征预测好坏的判定系数R2在小工况下和大工况下分别为0.95和0.93,表明预测结果与试验结果符合度较好。小工况和大工况排放特性不同,对仅预燃级喷油的小工况工作模式,NO_x排放主要受化学恰当燃烧温度和预燃级局部当量比的影响;对预燃级和主燃级同时喷油的大工况工作模式,NO_x排放主要受燃烧区温度和主燃级燃油比例的影响。     

燃料分配方式对微燃机燃烧室燃烧性能影响

提出了一种喷口位置可变采用燃料多点喷射的干式低排放(DLE)微型燃气轮机燃烧室,为了获得值班级与主燃级之间燃料分配方式对燃烧性能的影响,对该燃烧室在不同分配方式下的燃烧性能进行了实验测试与数值模拟。结果表明:燃料喷口位置改变对污染物排放影响不显著;燃料分配方式的改变对温度场和污染物的生成特性有影响,随着两级燃料分配比例的增大,NOx排放量呈现先减少后增加的趋势,存在一个最佳的燃料分配比例使NOx排放最低;燃烧室内存在明显的中心回流区(PRZ),便于点火及火焰传播;热力型NOx的生成量与温度高于1 950 K的区域大小和最高燃气温度有直接关系。所设计的燃烧室在以天然气为燃料的所有工况下NOx排放都可降低到50 mg/m3以下,达到了低污染燃烧室排放标准(小于50 mg/m3)。