突扩间隙比对单通道扩压器内流动力特性影响的试验研究

为了研究突扩间隙比与扩压器内流动力特性的影响关系,采用水流模拟流动显示及PIV(Particle Image Velocimetry)流场测速试验方法,对不同突扩间隙比的内流瞬态流场、时均流场、雷诺切应力等关键流场信息所表征的扩压器内流动力特性进行了研究。结果表明:突扩间隙比为1.6～1.7时,静压恢复系数与总压损失系数比值达到最大,此时扩压性能最优;扩压器突扩间隙比为1.64时,主流从前置扩压器流出时由于强剪切作用卷起扩散涡,为维持突扩区域空间内流动稳定性,进而诱导出消耗涡;总压损失变化是突扩区消耗涡、回流扰动及火焰筒前缘背压反流共同作用的结果,雷诺切应力与总压损失系数成正比;扩压器出口速度分布对于突扩间隙比变化的不敏感性体现出较好的内流流动稳定性。     

突扩扩压器突扩间隙与压力损失间关系的研究

通过数值计算和试验两种方法研究了短突扩扩压器突扩间隙与压力损失间的变化规律探讨了变化机理，研究了前置扩压器结构和进口马赫保持不变的前提下，分别通过改变前置扩压器和火焰筒的位置两种方式改变突扩间隙，研究总压损失系数的变化规律，结果表明：在本研究参数范围内，当突扩间较小时，前置扩压器出口气流拐弯剧烈，流线是非光滑的，相反，则会导致前置扩压出口气流的二次分离，在突扩区形成两个涡，而且气流拐弯剧烈，流量分配不均匀，因而存在有最佳的相对突扩间隙（δ=1.8-2.0),使得总压损失最小而（1．6％－1．75％）。     

先进燃烧室分配器式扩压器实验研究

针对高性能航空发动机燃烧室进口马赫数不断提高,同时先进燃烧组织对流量分配及头部空气动力学的要求,设计出一种适用于可变几何燃烧室的新型燃烧室扩压装置一分配器式扩压器.通过试验研究,重点研究了分配器式扩压器的总压损失与马赫数以及面积比的关系,分配式扩压器挡板对流场的影响.结果表明:当马赫数为0.359时总压损失为3.57％,这说明扩压器总压损失符合要求;存在一个面积比1.6～2.1使得扩压器出口流畅分布均匀;挡板可以改变流场分布和入口压力参数.     

基于流阻特性数据处理的燃烧室头部估算修正法

为了获得燃烧室真实工作状态下的流阻特性,在工程实践中,根据现有的燃烧室流阻特性测试手段与试验处理方法,提 出一种新的燃烧室流阻特性试验数据处理方法—头部估算修正法。以高温升燃烧室全环试验件冷态流场的试验结果为基础,完 成头部估算修正法与现有试验处理方法关于扩压器、火焰筒及燃烧室总压损失系数与燃烧室进口马赫数的关系表达式的对比。 将设计点与理论设计值进行比较,结果表明：采用直接处理法评估的燃烧室流阻特性结果过于保守;涡轮引气修正法可用来评价 燃烧室总压损失,但用于评价扩压器与火焰筒总压损失并不理想;头部估算修正法相比于现有试验数据处理方法更适用于评估燃 烧室的流阻特性,为燃烧室的设计与试验数据处理提供了技术支持。     

燃烧室流体损失的试验研究

本文研究了燃烧室扩压器、涡流器、火焰筒各元件以及燃烧加热等流阻的计算方法。在试验研究基础上,整理出流阻的计算方法和流阻系数经验公式,可供今后燃烧室方案设计和燃烧室方案调试比较使用。研究的模型有 4种扩压器 (等压力梯度型面扩压器和突扩扩压器 );10种涡流器 (弯叶片和直叶片式涡流器,径向涡流器,小孔进气头部装置 );7种火焰筒 (环管燃烧室,环形燃烧室 );以及 7块进口流场畸变模拟板等。      

燃烧室分配器式扩压器性能数值研究

高性能航空发动机燃烧室进口马赫数的不断提高会导致扩压器总压损失急剧增加,设计了一种新型的燃烧室扩压装置—分配器式扩压器,采用CFD方法对其进行了数值模拟,重点研究了分配器式扩压器的总压损失,结果表明,数值模拟结果与理论分析相吻合,并且在Ma高达0.36时,设计的分配器式扩压器矩形结构的总压损失为4.79%,小于短突扩扩压器的总压损失,可以满足高性能发动机对燃烧室扩压器性能的要求。     

主燃孔射流对模型燃烧室流动及燃烧影响的数值研究

数值研究不同主燃孔射流对模型燃烧室内湍流流动与液雾燃烧全流程流场的影响,采用微分方程和分区相结合方法生成包括突扩扩压器、帽罩、双级轴向旋流器、火焰筒及内外环通道的模型燃烧室三维结构化网格;在任意曲线坐标系下采用多区域耦合法计算模型燃烧室的流场.采用RNG(re-normalization group)k-ε湍流模型,旋涡破碎湍流燃烧模型模拟湍流燃烧过程;颗粒轨道模型模拟两相流动.计算结果与试验数据的比较表明:本计算方法与数学模型适用于预测模型燃烧室湍流冷、热态流场;主燃孔结构参数变化对气流温度分布的影响比对回流区尺寸与速度分布的影响更为明显,其中主燃孔Ⅱ的出口温度分布要比其他主燃孔的出口温度分布更为合理.     

燃烧室突扩扩压器外壳形式对扩压器性能影响的试验研究

通过自行设计的带有前置扩压器及盲孔火焰筒的二元对称直壁短突扩扩压器模型试验件,和八种扩压器外壳结构,着重探讨了扩压器外壳形式的改变对扩压器总性能的影响规律。通过大量的试验,得出一些重要结论,这些结论对实用型突扩扩压器的最佳设计将具有一定的指导意义。试验中测定了火焰筒头部区域的压力分布及前置扩压器中的沿程压力分布,为短突扩扩压器流场数值计算提供了必要的验证数据。     

环形分配器式扩压器性能数值模拟

为降低航空发动机燃烧室扩压器的总压损失,提高其静压恢复系数和流动稳定性,设计了一种分配器式扩压器.采用计算流体动力学(CFD)方法.对矩形分配器式扩压器和环形分配器式扩压器进行了数值模拟,并将前者与试验结果进行对比,两者相互吻合,然后将此计算处理方法应用到环形分配器式扩压器中.研究结果表明:CFD软件能够准确地模拟矩形分配器式扩压器的内部流动,且准确度较高,数值模拟结果与试验结果偏差不大于±5％;环形分配器式扩压器具有优良的减速增压功能.在燃烧室进口Ma数高达0.36时,设计的环形分配器式扩压器的总压损失仅为2.89％,静压恢复系数为0.647;Ma数为0.42时,总压损失和静压恢复系数分别为4.12％和0.653,小于短突扩扩压器的总压损失.并且扩压器内均无流动分离.因此分配器式扩压器具有较大潜力,能够满足未来先进燃烧室的性能要求.     

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。     

双管头部进气旋流-突扩燃烧室冷态流场研究

本文对双管头部进气旋流-突扩燃烧室模型进行了冷态流场试验研究,以探索进气方式(全旋型或部分旋型)、旋流强度(旋流数S或旋流角(?))、旋流室出口扩张角2α、旋流室长径比l/d、内通道相对面积F等参数对燃烧室流场结构的影响规律.结果表明,适当选择燃烧室结构参数可以在燃烧室中形成稳定的中心回流区和头部旋涡回流区.当(?)=45°、α=15°、l/d=1.3、F=0.41时,除了形成旋流室回流区外,在其尾部还形成了一个较大的、切向分速较低的中心回流区,两者“联串”在一起.部分旋的中心回流区长度与相同旋流角全旋进气时的回流区长度几乎相等,但总压损失却降低63.4%.     

小发直流燃烧室扩压器和火焰筒匹配的数值模拟

采用数值模拟方法对某小发直流燃烧室扩压器和火焰筒匹配下的流场进行了计算和分析,用双方程k-ε模型描述紊流特性,用二步化学反应模型模拟化学反应,用空气流量分配作为火焰筒内外流场联合求解的桥梁,引入边界结点类型说明数组帮助复杂边界条件的处理。计算结果表明燃烧室环腔间形成两个强烈的回流区,内、外环腔流场极不对称,并且具有较强的三维性;前置扩压器倾斜角度是影响燃烧室流场和性能的最重要因素。      

Effects of pressure oscillation on aerodynamic characteristics in an aero-engine combustor

The effects of pressure oscillation on aerodynamic characteristics in an aero-engine combustor are investigated. A combustor test rig is designed to simulate the pressure drop characteristics of a practical annular combustor. The pressure drop characteristics are firstly measured under atmosphere condition with non-reacting flow (or cold flow), and the air mass flow proportion of each component (dome/liner) are obtained; these properties are base lines for comparison with combustion state. The combustion tests are then carried out under conditions of inlet temperature 340–450 K, fuel air ratio 0.010–0.028. The stability map and the oscillation frequencies are obtained in the tests, the results show that pressure oscillation amplitude increases with the increase of fuel air ratio. Phase trajectory reconstruction is applied to classify the pressure oscillation motion; there are three motions captured in the tests including: “disk”, “ring” and “cluster”. The pressure drops across the dome under strong pressure oscillation are distinctly divergent from the cold flow, and the changes of pressure drops are mainly affected by pressure oscillation amplitude, but is less influenced by pressure oscillation motion nor oscillation frequencies. Based on the mass flow conservation, the reduction of effective flow area of combustor under strong pressure oscillation is demonstrated. Liner wall temperatures are analyzed through Multiple Linear Regression (MLR) method to estimate the reduction of the air mass flow proportion of the liner cooling under strong pressure oscillation. Finally, the air mass flow proportions of each component under strong pressure oscillation are estimated, the results show that the pressure oscillation motion also has influence on air mass flow proportion.     

超声速气流中煤油燃烧的实验研究

为了得到双模态超燃冲压燃烧室模型在不同飞行马赫数时的性能参数，在直连式风洞中，飞行马赫数为4，5，6的来流条件下，对液体煤油的超声速燃烧进行研究。对于试验的三种热态工况，液体煤油实现了点火，并稳定燃烧；并且其工作状态都是典型的亚燃冲压模态。通过一维模型对壁面静压进行分析，得到了燃烧室流场参数和性能参数。在各个飞行马赫数和当量比条件下，燃烧室出口总压损失分别是0．565，0．696和0．725，都接近试验测量值；燃烧室出口的燃烧效率分别为0．82，0．67和0．60。不同飞行马赫数下双模态燃烧室试验数据和参数，为其性能的进一步改进提供了实验依据。     

导流片结构参数对四通道环形进气先进旋涡燃烧室性能影响

四通道环形进气先进旋涡燃烧室（AVC）上下两个通道具有冷却燃烧壁面、中间两通道的靠近燃烧室轴线的通道面积小,在贫油燃烧时,一定程度上可充当值班火焰通道的作用。以导流片到前钝体上端面的距离与燃烧室进气通道高度之比 a/E、导流片伸入凹腔的长度与前钝体高度之比 b/H、导流片到前钝体后端面的距离与凹腔长度之比 c/L 为研究对象进行数值模拟,并分析导流片结构参数 a/E、b/H、c/L 不同时燃烧室的流场分布、涡结构、总压损失、燃烧效率。结果表明：随着 a/E 增大,燃烧效率不断提高,但总压损失系数也增大;b/H、c/L 对 AVC 性能的影响较小;当 a/E=0.3、b/H=0.4 及 c/L=0.2 时,燃烧室性能达到最佳;引入导流片后,凹腔内形成稳定的双旋涡结构,凹腔稳焰及燃气掺混有所增强,总压损失较小的同时燃烧效率大幅度提高。     

来流总温对双模态燃烧室模态转换边界的影响

针对煤油燃料双模态超声速燃烧室，开展了来流总温对燃烧室模态转换边界影响的试验研究。试验采用甲烷燃烧加热直连式试验系统，隔离段进口马赫数保持2.0不变，总压为1.05 MPa，来流总温分别为885、1 085、1 285 K。试验中采集了燃烧室沿程壁面压力，并采用一维分析方法得到了燃烧室的工作模态。试验结果表明:来流总温不同时，燃烧室壁面峰值压力位置相同，同时压力峰值与隔离段壁面压力分布和激波串起始位置存在一一对应关系；来流总温上升导致燃烧室超燃-亚燃模态转换时的当量油气比上升；在燃烧室当量油气比不变的条件下，来流总温上升能够导致燃烧室壁面压力下降，隔离段内激波串长度缩短。      

回流燃烧室流动特性试验

为了揭示有/无燃烧状态下燃烧室热态和冷态流场的特征和流动特性，针对某型回流燃烧室单头部试验件，使用粒子图像测速仪（PIV），测量燃烧室燃烧状态下不同截面处的热态流场，以及没有燃烧状态下不同截面处的冷态流场，探讨不同总压损失系数对回流燃烧室热态/冷态流场特征及流动特性的影响。研究表明:随着总压损失系数的增大，冷态条件下各截面流场结构基本保持不变，如射流孔穿透深度、射流角度、回流区位置及大小、流线等基本保持一致，但是各位置点速度大小逐渐增大。热态条件下各截面流场随着总压损失系数增大，流场结构也基本保持不变；相同总压损失系数时，热态流场与冷态流场存在差异，燃油喷射与气流的相对运动将会对燃烧室头部的流场结构造成影响，速度较冷态流动时略微增大。      

三级轴向旋流器影响燃烧室性能的试验

对装有4种不同三级轴向旋流器的燃烧室开展了常压下不同进口速度、进口温度和油气比状态下的燃烧室性能试验研究,获得了不同三级轴向旋流器燃烧室的流阻性能和燃烧性能.研究结果表明:各方案中三级轴向旋流器燃烧室的总压损失系数均随着进口速度的增大(由40m/s增加到70m/s)而增加;进口温度的升高对点火和熄火均有利;旋向组合为顺时针—逆时针—顺时针的三级轴向旋流器燃烧室性能与旋向组合为逆时针—逆时针—顺时针的三级轴向旋流器燃烧室燃烧性能相比,总压损失系数稍大、贫油熄火性能较优、燃烧效率稍低;内旋流器空气流量的减少可使得三级轴向旋流器燃烧室的总压损失系数增大、贫油熄火油气比和燃烧效率均有所降低.      

煤油燃料超燃发动机燃烧室温度测量与计算分析

为获得超燃冲压发动机燃烧室流场温度分布特性，深入分析发动机工作特性，对马赫数为2.0，总温为1100K，总压为1.0MPa的来流，利用可调谐的相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）技术完成了直连式燃烧室流场温度测量；同时对实验状态进行了三维并行数值模拟，对比分析了计算和实验结果的差异。结果表明，隔离段温度的实验测量值与计算结果的最大相对误差约为0.8%；在燃烧室核心流区域，当量比为0.6和0.8两个状态下，实验测量值分别比计算值偏低约40K和150K，相对差异为4.2%和13%；在凹槽回流区内，当量比为0.6和0.8时实验值则分别比计算值偏低约140K和170K，相对差异为11.7%和7.5%。主喷油位置喷入当量比为0.2的燃料对燃烧室区域的温度和压力分布会产生较大影响，但对扩张段及后部区域的推力性能不会产生显著的改变。