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。     

贫燃预混旋流火焰的模态转换燃烧不稳定特性分析

为进一步研究燃烧室燃烧不稳定特性,通过实验对贫燃预混旋流火焰的燃烧不稳定性模态转换现象进行了研究。在贫燃的情况下进行了甲烷-空气预混旋流燃烧实验,用动态压力传感器测量火焰场动态压力,用光电倍增管捕捉CH~*化学发光,用4kHz频率的高速摄像记录火焰图像。发现当量比渐增到0.72附近时,燃烧有明显的模态转换,压力脉动主频由264Hz突变为187Hz,脉动幅值大幅增加。采用本征正交分解法得到各模式空间分布,通过模态系数进行快速傅里叶变换(FFT)分析,得到流场时间分布特征。发现模态转换前平均火焰为喇叭形,转换后为"M"型,模态的转换与涡脱落模式有重要关系。     

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。     

预混旋流多喷嘴火焰激光可视化实验研究

为了研究预混旋流多喷嘴火焰结构及当量比对多喷嘴火焰结构的影响,针对当量比0.51～0.8的甲烷/空气预混旋流多喷嘴火焰开展了平面激光诱导荧光测量研究。通过实验,获得了不同当量比下预混旋流多喷嘴火焰时均火焰形态和瞬态火焰结构分布特点。实验结果表明,相邻火焰相互冲刷,在相互作用区内强化了燃烧化学反应。相邻火焰之间的相互作用随着当量比的减小逐渐减弱,当量比小于0.53时,中心火焰熄灭,相邻火焰相互作用消失。多喷嘴外侧火焰推举高度小于中心火焰,稳定范围比中心火焰宽。当量比大于0.6时火焰推举高度随当量比的变化不明显,当量比小于0.6后火焰推举高度随着当量比的减小显著增加。随着当量比的降低,湍流脉动对火焰的褶皱扭曲作用逐渐增强,湍流火焰传播速度与层流火焰传播速度之比逐渐增大。     

受限空间预混钝体稳定与抬升火焰激光诊断

在受限空间预混钝体燃烧器中,利用OH-PLIF （平面激光诱导荧光）、PIV （粒子图像测速）和瑞利散射测温技术实验研究了火焰结构、流场和温度场之间的相互影响关系。对比分析了贫燃稳定与富燃抬升状态下甲烷/空气预混火焰的燃烧场特性。实验结果表明：火焰结构、流场和温度场分布之间均存在直接联系。贫燃（当量比为0.8）火焰钝体上方为膨胀的高温低速回流区,利于火焰维持稳定;富燃（当量比为1.2）火焰倾向在受限空间出口与外界空气卷吸后着火,其钝体上方为类似冷态的低速低温回流区,无法点燃混合气,因而形成抬升火焰。分析各场局部分布信息获得火焰场间相互依赖规律：钝体火焰中,高温和低速对应已燃区,低温和高速对应未燃区。     

低旋流预混燃烧稳燃机理的大涡模拟

采用大涡模拟(LES)方法对比了高低旋流的预混燃烧特性,并分析了低旋流的稳燃机理。结果表明:LES耦合部分搅拌反应燃烧模型(PaSR)可以准确的捕捉旋流预混燃烧的细小火焰结构和流场分布。不同旋流强度引发不同的流场特性,低旋流诱发较弱的回流区,而高旋流会诱发很强的回流区,这种强烈的流场特征往往会引起振动频率极低的进动涡核拟序结构(PVC)。通过涡脱落和燃烧温度分布的瞬时耦合关系,发现火焰剪切层引起的内外涡脱落频率差是低旋流火焰稳定的最主要因素,低旋流燃烧受涡旋结构的影响交替出现W和V型火焰。     

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。      

分层比对分层旋流火焰稳定模式及流动结构的影响

应用高速激光诊断系统,对中心分层旋流火焰开展了流场与火焰结构的多参数同步测量,研究了分层比对火焰动力学及瞬态流动结构的影响。通过20kHz高频平面激光诱导荧光和高频粒子示踪测速技术,研究了不同分层比下的火焰模式和稳定机理,并揭示了流场结构沿轴向的定量演化规律。研究结果表明,提高分层比可以改变分层旋流火焰中火焰面相互作用模式,使主火焰的稳定机理由接触点火变为融合点火机理。同时分层比也会改变火焰释热区的位置,使流场结构以及脱落旋涡的空间分布发生改变。应用旋涡识别方法定量提取了脱落旋涡的位置,获得了内剪切层中脱落旋涡的空间分布和轴向演化规律。     

声激励下旋流钝体火焰的非线性响应实验

在常压条件下对二甲醚贫燃预混旋流钝体火焰施加100 Hz的外加声激励,运用高速OH^*化学发光成像和粒子图像测速锁相同步测量的实验方法,针对不同速度脉动比例下的火焰形态特征和流场特征的动态变化开展可视化测量,得到火焰描述函数。研究发现,随着声波幅值增大,火焰的热释放率将先线性增加,在到达扰动临界点后,火焰出现非线性响应现象,实验中的临界速度脉动比例为16%。同时,通过逆阿贝尔变换和本征正交分解等方法比较了火焰线性响应与非线性响应工况的流场和燃烧场差异,发现在非线性响应工况下火焰形态的涡卷起和流场中的外回流区涡脱落特征增强,这表明外回流区涡脱落增强现象可能是诱发火焰非线性响应的原因。     

基于PaSR模型的低旋流燃烧大涡模拟

为了深入理解低旋流流场特征和燃烧稳定性,基于OpenFOAM平台,采用动态k方程模型和有限速率PaSR模型对甲烷/空气预混低旋流燃烧进行了大涡模拟,研究了气流入口速度、当量比和压力等流场参数对流场结构和燃烧非稳态特性的影响,分析了流场大尺度结构与火焰相互作用。结果表明,流场结构和火焰抬升高度受入口速度影响较小,流场和火焰形态能够保持自相似性;随着当量比和压力提高,流场扩张性增强并在燃烧区下游产生回流区,火焰稳定不依赖回流区,根部火焰锋面形状由U形转变为W形,火焰抬升高度降低。火焰锋面稳定在剪切层,剪切层产生的周期性有序涡结构引起当地流场速度脉动和火焰表面褶皱,反映了流场非稳态特性;通过剪切层监测点瞬时轴向速度分析,涡结构特征频率随速度增大而提高,由250Hz提高至300Hz,随当量比和压力提高而降低,由250Hz降低至125Hz。     

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。      

钝体改进结构对先进旋涡燃烧室燃烧流动特性影响

为探究先进旋涡燃烧室凹腔稳焰机制,提出了一种后钝体结构改进方案,并对改进后的燃烧室燃烧特性进行了预混和非预混燃烧数值模拟.结果表明:预混燃烧条件下,当量比为0.6和1.0时,钝体改进结构可有效增强凹腔内旋涡流动强度,增加凹腔内温度,同时使温度分布更加均匀.另外,凹腔内温度随预混进气速度增加而增加,且当速度增大到一定值时,温度变化不明显;非预混燃烧条件下,钝体改进结构可改善凹腔内旋涡流动及温度分布,在贫油燃烧状态时,凹腔内仍可维持较高的温度;钝体改进使燃烧室质量更小,具有一定的工程参考意义.     

贫燃料湍流预混燃烧火焰稳定性的数值研究

对突扩燃烧室内甲烷-空气预混燃烧进行了数值模拟,时均控制方程组的封闭采用RNG 湍流输运模型和premixed combustion模型.通过模拟研究了不同当量比及进口速度对甲烷-空气预混燃烧效果的影响.CFD数值模拟结果给出了燃烧室内湍流预混反应流的速度场及温度场分布.模拟结果表明当量比为0.6、进口速度为30 m/s时燃烧室内产生稳定预混火焰.该结果对于航空燃气轮机低NOx排放燃烧技术的研究提供了一定的参考条件.     

贫燃预混旋流火焰热声特性研究

以贫燃预混旋流模型燃烧室为研究对象,以当量比为变化参数,从不稳定振荡频率、脉动压力幅值和分布、热释放响应特性等方面分析,研究了燃烧不稳定性从开始到极限环的非线性演化过程.利用低阶热声网络模型加以数值模拟验证.结果表明:脉动压力方均根、热释放响应会随着当量比的增大而呈现典型的非线性激发过程,火焰结构在发展过程中发生明显的变化.计算分析结果表明当量比低于0.7时计算结果与实验结果频率误差小于1%,而在当量比大于0.7时,计算结果与实验结果频率误差为13%.      

合成气扩散燃烧的OH-PLIF测量

为了解中低热值合成气在燃气轮机燃烧室中的燃烧特性,利用平面激光诱导荧光(PLIF)法,对模型燃烧室内CH4和具有不同C-H比的合成气旋流扩散火焰开展实验研究.实验结果表明,CH4与合成气火焰呈现出截然不同的火焰形状,瞬态OH-PLIF图像揭示了它们具有湍流火焰的共同特征,且火焰都稳定在喷嘴出口位置.相比之下,CH4燃烧...     

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。      

模型预混燃烧室燃烧不稳定性研究

针对钝体火焰稳定器结构的模型预混燃烧室的燃烧不稳定性现象进行了实验研究和数值模拟.实验中利用动态压力传感器测量了不同当量比时燃烧室内动态压力的频率和振幅.结果表明:随当量比增加,不稳定性频率从251Hz增加到258Hz.不稳定性振幅与大气压力比值从2.7%增加到6.1%.对燃烧室进行了定常和非定常数值模拟以及声学模态分析,得到了周期性旋涡脱落的频率为260Hz和燃烧室系统的前5阶本征声学模态频率.其中第3阶纵向声学模态频率与实验值基本一致,说明维持不稳定性的机理为钝体火焰稳定器后旋涡的周期性对称脱落和燃烧室系统的第3阶纵向声学模态形成了耦合.     

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.      

同轴突扩燃烧室低频不稳定燃烧数值模拟

采用大涡模拟耦合预混燃烧方法,建立了液体冲压发动机不稳定燃烧计算模型。对模型发动机进行了不稳定燃烧数值研究,计算得到的发动机内压强振荡和火焰传播过程与文献中的实验数据吻合较好。结果分析表明,突扩构形发动机内大尺度的旋涡结构支配了燃烧室中的火焰传播过程,旋涡运动耦合非稳态的燃烧热释放是激发燃烧室低频压强振荡的重要原因。