小尺度通道多孔介质表面火焰边界的实验研究

为了更好地在小尺度燃烧室中组织燃烧,对小尺度环形通道内多孔介质表面甲烷与空气预混火焰开展了流量和雷诺数边界特性实验研究。多孔介质采用了烧结金属粉末材料,燃烧在石英玻璃管和不锈钢管以及多孔介质组成的小尺度环形通道中进行。研究结果表明:随着预混气流量的增加,环形通道内的火焰形态由多孔介质表面火焰向推举火焰衍变,与推举火焰相比,多孔介质表面火焰更适合于在微小型燃烧室内组织燃烧。稳态预混气温度随流量的增加先上升后下降,其流量范围与两个火焰形态的基本重合,可以将温度的转折点作为表面火焰边界的定量判据。对于多孔介质表面火焰流量边界而言,当量比小于1.0时,甲烷预混气的表面火焰流量边界随着当量比的增大逐渐变宽;当量比大于1.0时,随着当量比的增大,多孔介质表面火焰流量边界变窄。对于多孔介质表面火焰雷诺数边界而言,随着当量比的增大,雷诺数边界逐渐变宽。     

基于OH-PLIF技术的环形燃烧室预混火焰结构实验

针对微型燃气轮机环形燃烧室中的燃烧特性,利用平面激光诱导荧光(PLIF)技术,对环形燃烧室内甲烷/空气预混湍流多束火焰燃烧开展实验研究,得到OH自由基物质的量浓度分布,并研究雷诺数和当量比对火焰结构特征参数的影响。结果表明:OH自由基浓度分布呈现环形结构,并有火焰托举和分叉现象,OH-PLIF瞬时和平均图像揭示了火焰具有湍流和层流预混结构共同特征。火焰结构特征参数的定量分析表明,雷诺数升高,拉伸火焰预混锥形结构,促进射流之间相互作用；康达效应使内焰向内壁面弯曲,火焰张角增大；适当调节预混火焰的当量比,有利于火焰结构的稳定。      

光滑楔形通道径向末端射流冲击冷却换热特性研究

为了研究在旋转状态下射流冲击冷却在楔形通道径向末端的冷却效果,在主流通道进口雷诺数为15000、旋转数为0或0.1的工况下,实验研究了不同射流孔位置、射流流量条件下的楔形通道沿程壁面换热规律。研究结果表明:射流孔附近的通道壁面换热系数被极大地增强,但冷却效果被限制在一定范围内;射流对通道内侧的影响范围要大于中部和外侧,但增大射流流量并不会增加内侧的换热系数;旋转工况下,射流影响区的换热对比静止基本上没有变化;在本实验工况下,射流不能强化沿通道径向射流孔后侧位置的换热;不同工况下的通道整体平均换热在10%以内,末端射流冲击对通道整体换热影响有限。     

微通道传热用于火焰筒壁面冷却的性能

对微通道传热应用于航空发动机火焰筒冷却进行了探索。构造了简单微通道模型,其上下平面分别代表火焰筒内外壁面;用工程方法计算火焰筒壁面的热环境作为计算模型的边界条件,以Fluent为工具模拟微通道换热结构的冷却性能;涉及两种长径比(20,40)和三种火焰筒压降(2.0%,2.5%,3.0%)。结果表明,含有微通道换热结构的火焰筒,能以较少的冷却气量维持较低的壁面温度;冷却气流吸热后升温明显,冷量利用率可达40%;冷却气量受长径比影响显著,受火焰筒压降影响不大;火焰筒壁面沿流向的温度梯度非常大。     

涡流冷壁旋流燃烧室的数值模拟

为了获得涡流冷壁旋流燃烧室的双旋涡结构对其燃烧流动性能的影响规律,改变切向入口的进口速度,对其内部流场进行了数值模拟。结果表明:在燃烧工况下,双旋涡结构较冷态时更难形成;随着切向入口的进口速度增加,涡流冷壁旋流燃烧室的燃烧效率较旋流燃烧室增大2%左右,壁面温度从1200K降低至600K,出口CO2的排放量降低;双旋涡结构会增加燃烧室的总压损失,但是增加的程度很小。     

射流冲击对内冷通道侧壁面换热特性影响研究

建立了前缘梯形内冷通道的放大模型,结合斜射流冲击冷却进行试验测量,研究通道内壁面的换热特性,并结合流场测量结果进行换热分析,更好地理解此类受限通道内冲击冷却的强化换热机理,为更高效的内冷通道设计提供参考。使用热电偶对出流侧壁面温度进行了详细测量,研究射流角度、横流和射流雷诺数对其Nu的影响规律。结果表明:出流孔的抽吸作用会强化孔排上方和下方边缘附近壁面的换热;射流入射角度的增加使出流孔上方壁面的Nu峰值对横流强度变化的敏感度提高;横流会削弱侧壁面上Nu峰值,且对出流侧壁面的不同区域换热情况的影响位置不同;射流雷诺数的增加将大幅提高整个出流侧壁面的换热能力,但对其换热特性规律不会产生影响。     

带交叉肋变截面回转通道内换热的实验研究

以航空发动机涡轮叶片内部回转通道为设计原型,实验研究了三种不同入口宽高比的带60°交叉肋变截面180°回转通道壁面的换热特性。分析了几何无因次参数和气流雷诺数对通道带肋表面换热的影响。结果表明:通道壁面的换热效果是随着进口雷诺数的增大而增加的,其分布趋势基本一致;对于不同宽高比的通道,低雷诺数时通道平均换热效果是基本相同的,在高雷诺数时宽高比小的通道要好于宽高比大的通道,而换热系数在整体通道上的分布情况基本相同。      

某回流燃烧室火焰筒冷却性能分析

为了研究回流燃烧室内部火焰筒的燃烧和冷却性能，建立了回流燃烧室模型，通过热流固耦合仿真分析其失效原因。通过引入不同孔型和不同孔倾角的气膜孔，与初始结构故障件的冷却效果进行对比分析。结果表明：原结构件最高温度和最高温度梯度的位置与实际故障件的失效位置相同，可认为失效原因是高温和高温度梯度共同导致的；改变孔结构后回流燃烧室壁面最高温度相对于原结构均下降，最多下降了281.34 K，最少下降了60.15 K；当采用同一种孔型时，孔倾角为30°的冷却效果最好，孔倾角为60°的冷却效果最差；当孔倾角相同时，收敛孔的冷却效果最好，因为在孔出口附近的截面上产生了一个与原旋涡对反向的旋涡对，从而改善冷却效果，柱形孔的冷却效果最差。     

超燃冲压发动机冷却通道与燃烧室耦合传热数值研究

为深入分析再生冷却通道与燃烧室的耦合传热过程以及探究多因素作用下的主动冷却耦合传热特性,采用航空煤油单组分替代模型,对超声速燃烧与流动裂解耦合换热过程进行数值模拟研究。探究了裂解反应、冷却流量、当量比对耦合传热的影响。结果表明：燃料的喷注与燃烧产生的扰动会破坏波系并向隔离段传递,燃烧强度随着燃烧的当量比增加变得更加剧烈;相同条件下,裂解产生的换热量在冷却流量较小时不可忽略,而冷却流量增加会使裂解程度减弱,当冷却流量为4g/s时正癸烷基本全部裂解,而增加至8g/s时裂解率不到10%;当量比对冷却通道与燃烧室的耦合传热的影响有限,当量比由0.67增加至0.84时,冷却通道出口温度升高约5K,燃烧室内壁温只增加了30K。     

带凹坑楔形通道内射流冲击换热特性实验

为了获得发动机进气道支板的热气防冰特性，采用热色液晶全表面瞬态测温技术对带凹坑楔形通道内表面开展冲击换热实验。研究了射流雷诺数，凹坑间距，射流入口到凹坑的距离和凹坑排数对壁面努塞尔数分布和大小的影响。结果表明:带凹坑壁面的平均换热效果要强于光滑壁面，两者的努塞尔数均随雷诺数的增加而增大。壁面的局部努塞尔数在凹坑尾缘出现一个峰值，凹坑间距越小，侧壁的平均换热效果越强。在小雷诺数时，凹坑的位置靠近出口缝，能够较大的增强侧壁的换热；在较大雷诺数时，凹坑位置越靠近前缘，则越能增强前缘的换热效果。当凹坑的排数增加，壁面的平均努塞尔数增大。      

带主动冷却的超声速燃烧室传热分析

介绍了流体、固体传热耦合的一维分析方法,对带主动冷却系统的马赫数2.5超声速燃烧室进行了传热分析。该分析以实验测量的燃烧室壁面静压以及超临界煤油换热特性数据为基础,考虑了燃气的高温离解效应,燃烧特性以及碳氢燃料的高温热物理特性,对不同燃烧状态、冷却条件下的主动冷却过程进行了分析。结果表明有燃烧时壁面热流可高达1MW/m2以上,是无燃烧时的2～3倍。当煤油流量较小时(当量比为0.45),冷却后的壁面温度仍偏高,而且冷却壁内温度分布不均匀。随着煤油流量的增加,冷却效果明显提高,冷却壁内温度分布趋于均匀;并且煤油的出口温度也显著减小。     

旋流杯设计参数对燃烧性能的影响

通过三维数值模拟和试验相结合的方法,针对航空发动机主燃烧室开展了火焰筒头部旋流杯设计参数对燃烧室性能影响的研究,其关键设计参数为副旋流器相对进气量和旋流数,关注的燃烧性能包括出口温度场分布、NOx排放量等.结果表明:数值计算获得的规律与试验的结论基本一致.随着副旋流器相对进气量的增加,主燃烧室出口温度场逐渐恶化,而NOx排放量略有降低;副旋流器旋流数偏离基准设计值时,出口温度场恶化,而NOx排放量随旋流数的增加而增加.     

多斜孔冷却火焰筒燃烧性能试验研究

为了保证高温升燃烧室火焰筒壁温,进行了多斜孔冷却火焰筒燃烧性能试验.通过对多斜孔冷却火焰筒和常规气膜冷却火焰筒的试验对比,研究了多斜孔冷却火焰筒的燃烧性能.研究结果表明:与常规气膜冷却火焰筒相比,多斜孔冷却火焰筒具有冷却空气量少、火焰筒壁温低和温度梯度小等优点;采用了多斜孔冷却方式的火焰筒,其温度场、燃烧效率、火焰筒壁温和慢车贫油熄火油气特性等燃烧性能均达到或超过了常规气膜冷却火焰筒的水平.     

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。      

进气温度对航空发动机燃烧室辐射换热的影响

为了解燃烧室内火焰辐射换热特性,建立了某型航空发动机燃烧室计算模型,利用数值模拟方法,研究了不同进气温度下燃烧室内燃气温度、碳黑粒子生成及分布变化对燃烧室辐射热流量和火焰筒壁温的影响。研究结果表明：随着进气温度的升高,燃气温度升高,碳黑粒子质量分数增大,且高温区和碳黑粒子生成区均往前移;火焰筒壁温急剧升高,高温区集中在燃烧室中间段和掺混段,主燃区火焰筒壁温相对较低;辐射热流量不断增加,由3245 W增加到8674 W,辐射热流量主要受燃气辐射特性影响     

液氧甲烷发动机台阶型冷却通道的耦合传热特性

为了研究液氧甲烷发动机再生冷却通道中跨临界甲烷的流动和传热特性,以及冷却通道较大幅度的突扩突缩对冷却效果的影响,采用整场直接耦合的方法对推力室三维耦合传热进行了数值模拟,考虑了燃气的非平衡流动.通过计算得到了推力室三维温度场和流场.计算结果表明：由于喉部截面附近存在较强的二次流,燃气侧壁面温度的最大值出现在喉部上游.由于突扩突缩处存在较强的旋涡运动,冷却剂的湍流强度增强,冷却剂侧表面传热系数显著提高,燃气侧壁面温度出现局部极小值,同时也产生了较大的局部损失.由于铜内衬热阻比镍外套热阻小得多,从燃烧室进入的大部分热量在冷却通道底面和侧面被冷却剂吸收.冷却通道底面的温度和热流密度沿程变化比顶面更剧烈.     

不同旋流情况对旋转流线涡燃烧室性能的影响

为探究不同旋流器位置和数目对航空发动机燃烧室性能的影响规律,运用FLUENT软件,采用计算流体力学法对某旋转流线涡燃烧室冷态流场和燃烧性能进行了研究。结果表明:相比于其他位置,旋流器距离燃烧室头部为88 mm时流线涡更稳定、更不易脱落,且燃烧效率最高,火焰长度也最短,燃烧效果最理想;旋流器数量的改变对压力损失和火焰长度的影响并不明显,但3个旋流器产生的涡范围更大,且会使空气与燃料掺混得更好,壁面温度场更加理想,燃烧性能更好。     

环管型燃烧室火焰筒壁温气热耦合数值模拟

针对某型燃气轮机运行时回流式环管型燃烧室的火焰筒常发生烧蚀和裂纹,需获取其火焰筒壁温分布特点,进行分析以提出改进措施.全面考虑固体导热和辐射传热、气体与固体间的对流换热以及火焰和燃气的辐射,对燃烧室进行三维气热耦合数值模拟计算,获取流场、温度场以及壁温分布信息,并结合实验验证了三维气热耦合数值模拟能够较有效预测火焰筒壁温分布.由模拟结果知该型火焰筒壁温未超过设计值1 223K,但在联焰管与筒体连接处以及多个主燃孔处的温度较高、温度梯度较大,需要对这些部位的冷却方案进行改进.     

旋转状态下矩形微小通道流动与换热试验研究

为了研究微小通道结构在航空发动机涡轮叶片中应用的前景和可行性,以空气为冷却介质,在Re＝1000～3000、转速为0～500 r/min、Ro＝0～3.5×10-3条件下,对水力直径为1 mm的旋转微小通道组的流动和换热特性进行试验研究。结果表明：微小通道流阻系数呈现粗糙壁通道特征,通道临界Re≈2350,流阻系数以及临界Re随转速增加未见明显改变。在静止状态下,通道组综合换热系数随Re增大而增大,换热系数分布沿流动方向逐渐减小;在旋转状态下,通道组平均综合换热系数略有增大,旋转对换热特性的影响随着流动的发展而增大     

冲击/发散复合冷却方式发散壁换热系数研究

对航空发动机的一种先进冷却方式,冲击/发散复合冷却方式的发散壁燃气侧换热系数进行了试验研究。考虑了影响燃气侧换热系数的流动和几何参数,它们是主流雷诺数、吹风比以及几何结构。采用比较法研究燃气侧换热系数,基准换热系数与经典传热准则计算值相比,精度在±7%以内。研究发现主流是充分发展湍流时,主流雷诺数对发散壁燃气侧换热系数基本无影响,而吹风比和几何结构是主要的影响因素。多排气膜叠加,也使得换热增强系数沿流向增加。对实验结果总结了经验关系式,可以用于该种冷却结构的传热设计和校验。