多级旋流预燃区补氧对常压点火特性的影响

在常温常压进口条件下开展点火试验,研究对象为多级旋流空气雾化喷嘴模型燃烧室,在火焰筒压降为1%~6%工况下分别采用20J和12J点火能量的电火花点火器进行点火试验,控制预燃区补氧空气流量比在0~0.04范围内,研究了多级旋流空气雾化喷嘴的点火油气比变化规律.结果表明:在点火油气比足够小的情况下,预燃区补氧流量越高,临界进口速度越大;在相同点火能量和火焰筒压降下,预燃区补氧空气流量比越高,点火油气比越小;随着预燃区补氧空气流量比增大到一个阈值(20J点火能量时为0.01,12J点火能量时为0.015),点火油气比曲线的发展趋势将发生变化;当预燃区补氧空气流量比继续增大到另一个关键阈值(20J点火能量时为0.025,12J点火能量时为0.03),点火油气比不再发生明显改变.     

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.     

半埋入式S弯进气道设计及其优化

为了减小大量附面层(δ=20%入口截面高度)吸入的半埋入式S弯进气道出口畸变,在完成其设计的基础上,以ISIGHT优化软件为平台,应用非支配排序遗传算法对其扩压器部分进行优化,并将优化前后结果进行对比。结果表明:优化后,进气道总压恢复系数略有提高,旋流畸变改善最为明显,降低约49.31%;几何结构相对原型改变较大,中心线趋于前后缓急相当,截面面积开始缓慢递增,靠近出口时急剧增加,呈现出"后发力"的特点;不同马赫数下,优化后进气道出口截面总压恢复、周向总压畸变、旋流畸变都有所改善,但优化前后各参数随马赫数的变化趋势不尽相同。     

分层旋流燃烧器冷态流场的大涡模拟

针对旋流数为0.25,0.45和0.79三种工况下带有中心钝体的分层旋流燃烧器的冷态流场进行了大涡模拟(LES),选取动态Smagorinsky涡黏模型作为亚格子尺度的湍流模型,研究旋流强度对钝体回流区、涡旋破碎和进动特征的影响.模拟结果与实验结果符合得较好.模拟结果表明:3个旋流数下钝体回流区的大小没有明显改变,轴向长度都约为20mm.Q准则用来显示涡旋结构,结果表明螺旋涡产生于旋流剪切层的Kelvin-Helmholtz不稳定性;增大旋流强度,涡旋破碎发生的位置向上游移动.功率谱密度(PSD)表明流场出现进动特征,进动运动沿流向逐渐衰减;旋流数为0.45和0.79时,钝体回流区末端出现进动特征;3个旋流数下,进动频率都约为78Hz.     

合成气旋流预混燃烧的大涡模拟

如何高效洁净地燃烧合成气是整体煤气化联合循环(IGcc)系统中面临的主要问题.利用旋流贫燃预混燃烧可以达到强化传热传质,提高燃烧反应效率,降低NOx等目的,但由于合成气中所含有的H2成分,同样面临燃烧不稳定问题.为了对合成气旋流预混燃烧室的燃烧不稳定性及污染物排放提供理论和数值上的指导,采用大涡模拟方法,对典型的旋流预混燃烧室中的合成气燃烧进行了模拟.结果显示,随着H2含量的增加,火焰缩短向上游发展,燃烧室下游涡破碎更加集中.较高的入口雷诺数,加剧了涡团破碎的程度和速度,同时影响中心回流区和几何回流区的大小及分布.随着当量比的减小,火焰褶皱程度加大,燃烧趋向不稳定.增大压力火焰长度会明显缩短,NOx排放量也会随之增大,但NOx的反应速率只有在较低压力下才会对压力变化比较敏感.     

旋流预混燃烧室火焰描述函数分析及其自激热声计算

为考察运行参数对火焰描述函数的影响，及验证结合火焰描述函数的燃烧室热声不稳定数值预测方法可行性，测量了一燃气轮机典型旋流部分预混火焰不同运行参数下的火焰描述函数，并结合该实测火焰描述函数及热态阻尼率，采用亥姆霍兹法数值预测了燃烧室自激热声振荡参数。结果表明，该旋流部分预混火焰的火焰描述函数具有低通和带通增益峰，随激励振幅增加，增益不断降低；相位值与频率基本呈线性关系。当量比较低时，火焰描述函数主要呈现火焰拉伸效应引起的低通增益峰；随当量比增加，低通增益逐渐减弱，涡脱落效应引起的带通增益峰逐渐加强。随空气流量增加，火焰描述函数高增益频率带明显拓宽，而高增益对应的施特劳哈尔数St边界变化较小，增益峰均位于St=0.23和0.80附近。结合实测火焰描述函数、热态有火焰下阻尼率及温度分布，亥姆霍兹法数值预测的特征频率相对误差约10%，速度振幅比绝对误差在0.05以下。     

一种适用于进气道/风扇一体化计算的体积力模型

全流道的进气道/风扇一体化计算虽然能捕捉到全面、完整的流场细节,但仍然需要消耗大量的计算资源。为了节约计算成本,利用有限的设备达到快速高精度计算的目的,采用自行发展的块体积力模型替代真实叶片进行一体化计算。该模型将叶片流域沿周向等距分成若干块,每个块的体积力源项关联于叶片前缘参数。研究结果表明:该体积力模型能够准确地模拟出流场特征与细节。在均匀来流下,各参数的相对误差在0.5%以内。同时,在大S弯进气道高畸变来流条件下,与冻结转子方法计算结果相比,总压比、总温比和等熵效率的相对误差分别为4.49%,0.26%和2.38%。     

弱旋流燃烧器流场特征和污染排放研究

弱旋流燃烧技术具有极低的NOx污染排放能力,是未来燃气涡轮发动机低排放贫油预混燃烧组织方案之一。为了深入理解弱旋流流场特征和燃烧稳定性,建立了采用弱旋流燃烧器的试验装置,设计了不同几何尺寸的叶片式旋流器,采用PIV以丁烷为燃料获得了稳定的弱旋流火焰,采用激光诱导荧光技术测量了火焰结构,火焰中具有明显的局部熄火和再点火区域。在不同来流条件下开展了火焰稳定范围研究,确定了燃烧器的火焰抬升和贫油熄火油气比,燃烧器共呈现了三种不同的燃烧模式:附着火焰、"W"型火焰和"U"型火焰。采用燃气分析仪测量了燃烧器的污染物排放,所有状态下NOx排放低于10ppm。     

旋流器出口结构对旋流火焰的影响研究

为了更深入地理解非预混旋流火焰，采用大涡模拟（LES）耦合PDF燃烧模型，结合OH-PLIF及PIV同步测量实验，综合研究了两种通道结构对非预混旋流火焰模式的影响。结果表明，欧拉随机场PDF方法可以较精确地预测到旋流流场及精细的火焰结构，包括局部熄火。不同的通道结构将显著影响流场结构，由于湍流/化学反应的相互作用，火焰将会出现局部熄火及火焰抬升现象。由于无通道相比于扩张通道的回流区更小，局部熄火现象也更为严重。同时，在恰当当量比下，无通道结构的OH及CH₂O等中间基在低温区分布更为广泛，表明更多的低温化学反应得以进行，为下游抬升火焰的稳定提供了有利条件。     

OH与CH2O双组分平面激光诱导荧光对旋流燃烧室火焰结构与脉动特征的研究

介绍了利用平面激光诱导荧光(PLIF)技术对航空发动机的旋流燃烧室模型在贫燃状态下工作特性的研究。通过对OH与CH2O双组分进行同步PLIF测量,获得了不同工况下燃烧室反应区以及预热区的瞬态结构信息。应用本征正交分解(POD)方法对OH PLIF的图像进行处理,得到了旋流火焰的主要脉动模态,并通过扩展本征正交分解(EPOD)方法计算出了相应POD模态的CH2O荧光信号分布。实验结果表明:随着燃烧室热功率的增大,火焰的整体结构、脉动模式均出现了明显的变化。在火焰高度增加的同时,轴向不稳定性逐渐增强,涡核旋进(PVC)的脉动特征相对减弱。在较大的热功率下,在燃烧室的外回流区(ERZ)出现未燃烧的燃料。