基于随机粒子追踪方法的环形燃烧室点火动态模拟

为了深入研究低排放燃烧室点火联焰规律,在全新的环形模型燃烧室中开展了点火模拟和试验研究。点火模拟采用随机粒子追踪方法,能够基于时均冷态流场的仿真结果快速模拟火焰传播过程。环形燃烧室包含16个中心分级旋流器,仅向预燃级通入丙烷,用于模拟航空发动机低排放燃烧室点火状态下的空气燃油分级。试验采用PIV技术测量3个头部区域流场,利用高速相机拍摄火焰CH*/C2*基团化学发光信号。对多个流量和当量比条件下的联焰过程、联焰时间和传焰速率进行了分析,试验和模拟的结果均表明：环形燃烧室内火焰双向传播,燃烧室内外环流速度差异导致了双向火焰传播速度差,传焰速率随燃烧室湍流速度和当量比的增加而增加。点火模型很好地捕捉了环形燃烧室点火动态,所得传焰速率也符合湍流火焰传播规律,表明该模型具有较强预测能力。     

主燃孔轴向位置对低压点火性能的影响

对回流燃烧室设计了两种主燃孔结构(交错射流和对齐射流),在不同压力条件下对不同主燃孔方案的回流燃烧室的点火性能进行了试验研究.试验结果表明:随着回流燃烧室进口空气压力的降低,点火边界的油气比先减小后升高,而对齐主燃孔的火焰筒方案的低压点火性能优于交错主燃孔.结合火焰筒冷态流场数值模拟和试验中观察到的点火现象进行对比分析,对齐主燃孔方案存在更大范围的回流区,其火焰筒头部参考速度较低.此方案有利于减弱火焰核心的淬熄概率,同时增强头部火焰燃烧的稳定性,从而改善了回流燃烧室的点火性能.      

主燃孔位置对于燃烧室气动力学及点火熄火性能的影响研究(英文稿)

在燃气轮机燃烧室内,通常采用头部旋流装置来稳定火焰,旋流与主燃孔横向射流的交互影响使得燃烧室内主燃区的气动特征非常复杂。本文的研究目的在于分析主燃孔位置变化对于燃烧室流场及点火熄火性能的影响规律。本文研究同一燃烧室中,三个不同主燃孔位置带来的影响。使用商用软件Fluent 13.0进行了本研究冷态流场的数值模拟,得到了旋流杯下游流场的信息。在本研究尺度内,随着主燃孔向燃烧室下游移动,回流流量增加。试验研究了三种方案的点火熄火性能。分别进行了常温常压点火熄火性能试验,常温低压点火性能试验和加温常压熄火性能试验。试验结果表明,随着主燃孔位置向下游移动,燃烧室的贫油点火、熄火边界都变宽,点火熄火性能得到改善。对于常温常压且压降在3%这一典型燃烧室工况而言,[Lp/Hd]=0.9的方案比[Lp/Hd]=0.5的方案贫油点火性能提高了35%。本研究表明主燃孔位置对燃烧室内气动热力及点火熄火性能影响显著。     

超声速气流中乙烯点火试验与影响因素

对超声速气流中的非预混乙烯燃料扩散点火过程进行了试验研究,采用高速摄影、纹影技术获得了点火过程的火焰成功传播与失效图像和激波动态演化过程。基于点火前喷注混合流场的NPLS（纳米粒子散射）、PIV（粒子图像测速）试验数据和大涡模拟结果对影响点火结果的关键因素进行了研究,分析了点火过程的燃料分布、回流区尺寸、激波串作用、气动壅塞效应等关键流动特征对火焰传播过程和点火失效模式之间的影响关系。研究结果表明,点火过程的激波串前移过程会对燃料的分布造成影响,并进而影响凹腔内的燃料质量分数分布;凹腔角回流区是初始火焰形成的关键区域,点火能量在该区域累积建立凹腔角回流区火焰后,分别扩展形成凹腔驻留火焰,并向下游输运、掺混燃烧,建立预燃激波串,形成点火过程的正向压力反馈;凹腔内燃料分布受喷注位置、喷注压力的影响,采用凹腔内主动喷注的方法能够主动调节凹腔内的燃料分布,有助于初始火核的形成,能有效避免点火过程中由于压力反馈对燃料分布影响造成的熄火现象。      

双级轴向涡流器气量分配对燃烧室点火特性的影响

为研究双级轴向涡流器一、二级气量分配对燃烧室点火特性的影响,对4种不同气量比的双级轴向涡流器进行了单头部燃烧室点火试验,同时结合燃烧室头部流场和喷嘴匹配涡流器雾化试验结果对点火试验结果进行了分析。结果表明：随着一、二级气量比由0.55增加至1.28,涡流器出口旋流数、涡流器下游回流区宽度、回流空气流量以及喷雾锥角逐渐减小;过小的一、二级气量比会导致点火状态下的燃油粒径变大;点火边界油气比随着一、二级气量比的增加呈现先减小后增加的趋势,气量比为0.85~1的方案兼顾了流场和喷雾特性,获得了相对较好的燃烧室点火性能。     

高空来流条件下航空发动机双旋流燃烧室点火特性数值模拟

为深入了解真实航空发动机燃烧室极端条件下点火性能，在自有CFD平台上对不同高空来流条件下典型航空发动机双旋流燃烧室点火过程进行了数值模拟。为保证模拟精度，对模型包括全部气膜冷却小孔在内的所有精细结构均进行了完全仿真，并完整再现了燃烧室内从燃油雾化到点火燃烧全过程。结果表明3种高空来流条件下单次点火均失败。点火过程显示高温燃气越过旋流杯中心向上回流区扩张是点火的关键时空区域，在此时补充点火可推动火焰顺利传播到整个主燃区。对8km和6km两种状态分别增加点火次数到3次和5次后最终点火成功，结果表明前者着火极限油气比约为0.057，后者为0.038~0.042。     

第2级径向旋流器旋流数对燃烧室点火和贫油熄火性能的影响

双级旋流器是航空发动机燃烧室头部产生回流区所采用的主要形式,研究主要考察第2级径向旋流器的旋流数对点火与燃烧稳定性能的影响,数值模拟结果能够较好地匹配第2级径向旋流器设计参数.试验研究表明:第2级径向旋流器旋流数的改变对燃烧室点火性能无影响;但减小该旋流数会对贫油熄火性能产生明显地改善,旋流卷吸效果会影响回流区火焰稳定.减小第2级径向旋流器旋流数,使下游卷吸量增加,回流区流动与火焰匹配更好,更有利于燃烧稳定性的提高.      

蒸发式Z形值班火焰稳定器的点火性能

针对一种蒸发式Z形值班火焰稳定器进行了点火性能试验研究,采用高速摄影和图像处理的方法获得了不同点火位置下初始火核的生成及发展过程,并对回流区油雾分布及时均火焰结构进行分析。试验结果表明:相比传统薄膜蒸发式火焰稳定器,蒸发式Z形火焰稳定器的贫油点熄火当量比在马赫数超02时能降低311%和194%。Z形值班火焰稳定器具有双燃烧反应区特征,点火位置影响初始火核的形成,当第二反应区对火核生成起主导作用时值班火焰稳定器的点火性能较好、火核发展较快。点火位置位于Z形槽下拐角附近时能获得较好的点火性能,而靠近回流区与主流交界面时点火性能较差;同时低温高速条件下低燃油蒸发率导致的燃油分布不均会带来点火性能的展向差异。     

自点火氢燃料超燃火焰形成与传播过程数值模拟及分析

针对氢燃料超燃冲压发动机燃烧室内的燃烧细节,采用数值方法研究了喷注初期不同喷注位置及当量比下超燃燃烧室氢燃料自点火火焰形成与传播过程,结合OH、HO2自由基与温度分布分析了点火燃烧过程的火焰精细流场结构。结果表明：凹腔下游喷孔距凹腔后缘较近时,若喷注压力超过2 MPa,会发生下游火焰通过回流区卷入凹腔的现象;凹腔内喷注会在凹腔剪切层前沿形成稳定反应面,造成反应区分离;喷注压力相同时,上游布置喷孔燃烧室出口氧耗率更高,总压恢复系数降低,而在喷注位置相同时,随喷注压力的升高,燃烧室出口氧耗率提高,总压恢复系数降低;喷注当量比不同会影响火焰的稳定位置与结构,在当量比较低时氢气燃烧主要发生在凹腔、剪切层及燃烧室下游,在当量比较高时则发生在燃烧室下游。     

折流燃烧室间接点火过程研究

为了研究某折流燃烧室的间接点火过程,对三种不同初始火核位置的燃烧室进行大涡模拟计算,并结合燃烧室点火试验和性能试验进行验证。研究结果表明：折流燃烧室的主燃区可分为三个区域,分别是主回流区、横跨气流区以及次回流区;燃烧室点火成功的关键在于初始火炬进入次回流区;通过大涡模拟计算得到的贫油点火边界油气比与点火试验结果的绝对误差在0.004以内。     

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。     

MCGA-assisted ignition process and flame propagation of a scramjet at Mach 2.0

The ignition process and flame propagation with ethylene fuel in cavity-stabilized scramjet by a Multi-Channel Gliding Arc(MCGA) at Mach 2.0 were investigated. Effects of equivalence ratios on the MCGA-assisted ignition process and flame propagation of the scramjet were recorded by two high-speed cameras from different view angles. The discharge characteristics of MCGA are also collected synchronously with the high-speed cameras. The distributions of temperature, velocity, and equivalence ratios...     

Modelling ignition probability with pairwise mixing-reaction model for flame particle tracking

Reduced order models for ignition analysis can offer insights into ignition processes and facilitate the combustor optimization. In this study, a Pairwise Mixing-Reaction (PMR) model is formulated to model the interaction between the flame particle and the surrounding cell mixture during Lagrangian flame particle tracking. Specifically, the model accounts for the two-way coupling of mass and energy between the flame particle and the surrounding shell layer by modelling the corresponding turbulent mixing, chemical reaction and evaporation process if present. The state of a flame particle, e.g., burnt, hot gas or extinguished, is determined based on particle temperature. This model can properly describe the ignition process with a spark kernel being initiated in a nonflammable region, which is of practical importance in certain turbine engines and has not been rigorously accounted for by the existing models based on the estimation of local Karlovitz number. The model is integrated into an ignition probability analysis platform and is demonstrated for a methane/air bluff-body flame with the flow and fuel/air mixing characteristics being extracted from a non-reacting simulation. The results show that for the spark location being at the extreme fuel-lean outer shear layer of the recirculation zone, PMR can yield ignition events with a significant number of active flame particles. The mechanisms for the survival of the initial flame particles and the entrainment of the survived flame particles into the recirculation zone are analyzed. The results also show that the ignition probability map from PMR agrees well with the experimental observation: a high ignition probability in the shear layer of the recirculation zone near the mean stoichiometric surface, and low ignition probabilities inside the recirculation zone and the top stagnation region of the recirculation zone. The parametric study shows that the predicted shape of the ignition progress factor and ignition probability is in general insensitive to the model parameters and the model is adequate for quantifying the regions with high ignition probabilities.     

壁式与径向组合稳定器的流动与点火特性研究

为实现多模态冲压燃烧室全工况范围内的可靠点火及稳定燃烧,本文提出一种壁式稳定器和径向稳定器组合设计方案以提高在高速来流下的点火与传焰性能。本文数值研究了壁式+径向组合稳定器在不同结构参数下的流动特性,试验测量不同结构组合稳定器的点火极限,并利用回流率、质量交换率以及流动停留时间等参数揭示稳定器结构参数对点火性能的影响。研究结果表明：台阶高度及径向稳定器倾角通过改变流场结构进而影响点火性能。台阶高度越高,回流区结构越大,点火极限越低;在与径向稳定器组合后,值班稳定器内回流区沿径向稳定器向主流冷流区延伸,散热增强,同时点火释放能量易被径向回流带出值班区,因此点火极限增加。随着径向稳定器前倾角度增加,回流区与主流质量交换增加,流动停留时间缩短,导致点火性能的降低。本文结果可为多模态冲压发动机的工程研制提供技术支撑。     

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。