三头部燃烧室点火过程中火焰传播特性研究

为了探讨三头部燃烧室点火过程中的火焰传播特性,建立了矩形模型燃烧试验系统,开展了流动与点火过程中火焰传播特性、当量比对周向点火过程影响规律的研究。研究表明:初始火核主要在中心回流区边界形成,其传播过程具有阶段性,先顺流线方向进行传递,待燃烧强度增大到一定值后,火焰才开始向其他区域延伸;在相同压损下,当量比减小会使得燃烧室周向点火时间增加,主要为初始火焰发展阶段时间增加,当量比由0.89减小到0.6时,周向点火时间由33.5 ms增加到42 ms,流动加速系数由1.75增加到3.77,即随当量比减小,湍流褶皱等流动因素对火焰传播的加速效应增大;在初始火焰的发展阶段,气体热膨胀效应对火焰传播加速效应占主导作用。     

单头部燃烧室流场PIV试验测量

航空发动机燃烧室内流场结构直接影响燃油雾化、油气掺混以及燃烧性能,本文采用粒子图像速度仪(Particle image velocimetry,PIV)对某单头部基准燃烧室内的冷态流场和燃烧流场分别进行了试验测量。在冷态流场试验中,研究了进口空气流量变化对燃烧室内的流场结构、回流区尺寸大小变化的影响规律;而燃烧流场试验测量分别研究了进口空气流量和油气比变化对燃烧流场结构的影响。试验结果表明:由于下壁面中间主燃孔进气射流的强烈影响与挤压,导致旋流器出口处横向截面上的旋转气流不是一个完整的旋流气流;燃烧流场与冷态流场相比,其流场结构基本相似,但中心回流区宽度稍变瘦,随着油气比的增大,中心回流区逐渐变瘦,宽度变窄;随着油气比的增加,轴向速度逐渐变大、回流负速度变大;燃烧流场测量中,在燃烧室头部较好地捕捉到喷嘴喷出的油雾锥上油珠的速度大小。     

环形燃烧室周向点火机理基础研究进展

先进航空发动机普遍采用环形燃烧室结构,其周向点火联焰机理对发动机点火可靠性具有重要研究价值。由于实验室尺度模型实验成本低、测量精度高,已经逐渐成为实验研究环形燃烧室点火机理的重要途径。本文介绍了国内外几种典型的实验室尺度环形燃烧室模型及其相关研究,包括法国巴黎中央理工大学EM2C实验室的MICCA燃烧室模型;剑桥大学的预混/非预混环形燃烧室模型;慕尼黑工业大学的缩比燃气轮机环形燃烧室模型;浙江大学的环形燃烧室和涡轮耦合的TurboCombo模型。环形燃烧室周向点火过程一般分为3个阶段:（1）初始火核的形成;（2）火核扩张发展,在点火针附近喷嘴处形成单个稳定的旋流火焰;（3）火焰沿周向传播,依次点燃全部喷嘴后稳定燃烧。影响周向点火联焰过程的因素众多,机理复杂,已有的实验和数值计算对当量比、点火模式、热功率、流速、喷嘴间距等因素影响下的点火、熄火、火焰传播模式、周向点火时间等特征规律进行了丰富的研究。近年来,在环形燃烧室模型上也逐渐开展了气液两相喷雾燃烧的相关研究。同时,高时空分辨率的先进激光诊断方法的引入也将进一步推动点火机理的更深入研究。     

旋流作用下突扩燃烧室内冷态流场的 PIV 分析

旋流作用下突扩燃烧室内流场特性的研究对保证燃烧室的正常工作具有重要的意义。利用PIV技术对燃烧室内冷态流场的结构进行了实验诊断与分析,获得了不同实验条件下燃烧室内的速度场、回流区分布和流场内涡的变化规律。研究表明,当入口空气压力变化时,燃烧室内冷态流场可以保持稳定结构,均包含角回流区、中心回流区及剪切层结构。沿燃烧室轴向方向,中心回流区的宽度先增大再减小。随着入口压力的提高,燃烧室内冷态流场的回流区宽度及回流区长度缩短,最大回流速度增大,回流区中心位置向入口移动。同时,在燃烧室冷态流场中会出现由旋流作用引发的涡旋进动现象。     

中热值合成气扩散燃烧速度特性的实验研究

针对CH4和中热值合成气的旋流燃烧室进行了PIV测量,获得了不同燃料燃烧对火焰流场变化的影响.实验结果表明:在相同入口条件下,合成气燃烧时的火焰张角略大,回流区宽度和回流强度均高于CH4火焰,燃气流量较低时,合成气火焰的湍流强度更大,燃气流量增大后,CH4的燃烧脉动速度逐渐增大并超过合成气.     

氢燃料超燃燃烧室流场结构和火焰传播规律试验研究

采用试验方法研究了不同当量比条件下的氢气燃烧流场结构和火焰传播规律。采用壁面测压、纹影、差分干涉、火焰自发光照相以及OH-PLIF等测量手段获取流场信息,并发展了纹影、差分干涉和PLIF同步测量的试验方法,获取了流动结构和火焰的耦合测量结果。结果表明:在所研究的5个状态中,当氢气当量比大于0.17时,燃烧流场结构不稳定,火焰分布呈现破碎状,火焰在燃烧室上下壁面之间来回传播;当氢气当量比小于或等于0.17时,燃烧流场结构稳定,火焰呈现连续分布,火焰稳定分布于凹槽下部剪切层内。     

高温升直流燃烧室燃烧特性数值研究

为了研究高温升直流燃烧室燃烧特性,建立了带三级涡流器的高温升直流燃烧室物理模型,采用稳态雷诺平均N-S方程的化学反应流数值模拟的方法,开展Ⅱ、Ⅲ级径向涡流器旋向、主燃孔和掺混孔特征参数对高温升直流燃烧室的流场及燃烧特性的影响研究。涡流器能够实现火焰筒头部回流区的产生,同时实现主油路燃油的气动雾化和掺混。主燃孔的射流影响回流区的结构,同时主燃孔射流部分进入主燃区,能够保证主燃区的油气比。掺混孔的射流轨迹影响掺混区的流场和出口温度分布。10种方案燃烧室的温升和总压损失系数均达到设计要求,Mode-1-tx、Mode-3、Mode-3-tx、Mode-4-tx四种方案燃烧室周向温度分布系数(Overall temperature distribution factor,OTDF)达标,而径向温度分布系数(Radial temperature distribution factor,RTDF)略高于设计指标,Mode-5-tx方案燃烧室出口温度系数OTDF=0.178和RTDF=0.061均达标,燃烧室出口温度分布品质较好。     

航空发动机燃烧室旋流流场特性PIV分析(英文)

应用粒子图像测速仪(Particle image velocimetry,PIV)研究了具有两级轴向旋流器的航空发动机燃烧室旋流流场特性(包括冷态流场和燃烧流场)。分别研究了不同主燃孔几何大小与空间排布、进口空气温度、一级轴向旋流器旋流角度以及油气比对冷热态流场的影响,分别获得了流场速度大小、脉动速度、雷诺应力以及回流区长度等参数。试验结果表明:燃烧流场的中心回流区长度要比冷态流场中心回流区短;随着进口空气温度和油气比的增加,中心回流区长度减少;同时主燃孔几何参数的变化(主燃孔大小和空间排布)对两级轴向旋流器旋流流场有很大影响。     

碳氢燃料超声速燃烧室火焰稳定机制研究

在来流总温1085K、进口马赫数2.0下开展了煤油燃料超声速燃烧试验，使用高速摄像观测了火焰的形态和结构，采用平面激光诱导荧光技术（PLIF）观测了煤油和OH的分布，结合数值模拟结果分析了燃烧室的火焰稳定机制。测量结果显示:燃烧反应主要发生在射流的下游区域和凹槽区域内，随着燃料当量比的增加，火焰传播角度及火焰向主流的穿透高度增加。数值模拟结果与实验测量吻合较好。火焰稳定机制分析显示:液态煤油喷入燃烧室内，主要分布在下壁面附近的流场中，燃烧产生的高温燃烧产物通过凹槽剪切层与回流区之间的相互作用，进入凹槽并为剪切层中的空气-煤油混合气体提供稳定的热量和中间产物，使得火焰基底能够稳定在剪切层内，并以相对固定的角度向主流流场中传播。     

强湍流下点火及火焰传播机理研究进展

可燃预混气点火过程研究是发动机燃烧领域最重要的课题之一。当前电火花强制点火广泛应用于各类发动机燃烧室中,其点火过程具有很强的瞬变性,从电火花产生到火焰完全形成的整个过程中,多种复杂因素联合影响点火火核的产生和发展。目前发动机高压、强湍流工况下的点火和火焰传播机理认识还不完善,亟需研究的科学问题是湍流和化学反应相互作用对点火和火焰传播的影响机制及其建模,包括湍流对点火的促进/抑制机制,湍流对火焰传播和火焰整体发展的影响规律,燃烧释热和火焰面不稳定性对湍流脉动速度(即火焰产生的湍流)的影响机制和对火焰传播速度的增强机制及由此导致的层流燃烧自加速转捩为湍流燃烧的理论,燃烧过程对标量通量输运(即反向或压力驱动输运)的影响机制。本文对强湍流下点火及火焰传播理论、实验和数值模拟方面的研究进展进行综述。     

粘性非结构网格生成方法及绕流计算

运用非结构网格进行计算时,需要在物体附面层区域内生成高展弦比的三角形网格。本文给出了一种基于物理学中弹簧原理的粘性非结构网格生成新方法－－挤压法,它能有效地实现粘性区域内位伸网格到附面层外一般非拉伸网格的光滑过渡。然后在非结构粘性网格上对Ｎ－Ｓ方程运用有限体积法进行了数值计算,ＮＡＣＡ－００１２翼型以及平板层流的数值试验结果较为满意。     

共轴刚性旋翼桨毂阻力特性及流动机理

共轴刚性旋翼直升机在高速飞行时,桨毂流动复杂、分离强、阻力大。为明晰其阻力特性和流动机理,采用CFD方法针对已完成风洞试验的共轴桨毂组合模型进行数值模拟研究,获得了桨毂组合模型各单独部件的阻力、表面流动和空间流场特征,阐明了产生阻力最大的部件和影响阻力的主要因素,揭示了中间轴整流罩和塔座设计参数的减阻机制。分析结果表明:上、下旋翼桨毂是产生阻力的主要部件;中间轴和塔座的分离尾流对桨毂表面流动产生较大的干扰作用,使桨毂整流罩表面受干扰区域产生气流分离;具有较缓和逆压梯度的中间轴整流罩和塔座能有效减小分离尾流对桨毂整流罩的干扰,从而降低整个共轴桨毂系统的阻力。     

PEMFC流道结构研究现状及发展趋势

质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)被认为是提高小型无人机续航能力的最有前景的动力源,也是未来绿色航空发展的方向之一,它的性能决定了无人机的任务能力。双极板是PEMFC中的关键组件,其中流道结构更是决定着PEMFC的水热管理、质量输运和电流密度分布,深刻影响燃料电池的综合性能。不同流道结构各有优缺点,充分了解流道结构对性能的影响可以对不同应用背景下的流道设计以及改进工作提供参考。本文对现有的常规和新型双极板流道结构进行了总结,归纳和分析了不同流道结构特征对PEMFC性能的影响。从流道横截面形状、长度、数量、宽度和挡板位置等方面入手探究增强PEMFC性能的高效流道结构设计方案。     

DES方法模拟空腔流动及噪声分析

空腔流动中包含多种复杂的物理现象,一直是流体力学中的一个重要问题。本文研究了三维非定常雷诺平均N-S方程和分离涡模拟(Detached eddy simulation,DES)方法在空腔流动及空腔噪音问题的应用。利用两种方法对三维空腔流动及噪音进行了数值计算并与实验数据进行了对比,通过分析比较发现DES方法得到的结果更加准确,特别是通过声压级(Sound pressure level,SPL)分析发现DES方法能够较好地捕捉空腔流动中的压强脉动及噪声水平,说明DES方法能够有效处理空腔流动问题。     

微小矩形通道内流动与换热特性

采用试验和数值模拟方法研究了当量直径为0.633～1.079 mm的微小通道内的流动与换热特性.工质为 液体水,雷诺数Re为100~3 000.试验结果表明,该尺寸范围的通道内层流向紊流转变的临界雷诺数约为1700,层流表观阻力系数和努塞尔数的试验值与数值计算结果吻合良好.最后通过数值模拟对恒定泵功及恒定流 量条件下不同结构参数通道的换热进行了计算,给出了最佳换热结构.     

Electroaeroelastic Modeling and Analysis for Flow Energy Piezoelectric Harvester

An electroaeroelastic model for wind energy harvesting using piezoelectric generators is presented.The flow field is mapped in detail.The force which the fluid flow exerts on the generator is formulated.The output voltage levels generated from the mechanical strain within the piezoelectric elements are determined.An analytical model is developed with consideration of the interactions between the fluid,solid and electric.Various analytical results are obtained,such as flow velocity contour and pressure contour for the flow,moving trajectories,stress contour and output voltage of the harvester.A prototype is fabricated and tested.The simulation result is close to the experimental result.The model developed in this paper can predict the performance and behavior of different energy harvesters.And it also can be used as a design tool for optimizing the performance of the harvester.     

测量管内沸腾汽液两相流动沿程“流型”的新方法

本文根据管内沸腾汽液两相流动沿程“流型”不断变化的特点,提出用移动式电导探针对沿全流程的“流型”进行测量,实验结果证明这种方法是可行的,且与计算结果相当吻合。并整理得出环状流起始点计算的经验公式。此方法可用于其他管内汽液两相流动的“流型”测量。     

多普勒激光测速仪在轴流风扇流场测量中的应用

介绍了多普勒激光测速仪在风扇转子流场测量中的一些基本方法，说明采用频谱分析法要比目前使用较多的计数法多普勒激光测速仪有更多的优越性，利用ＢＳＡＤＡＮＴＥＣ频谱测量系统实测了转子叶尖附近的流场，并获得了一些重要的流场信息。     

汽车气动力计算

用Ｆａｖｒｅ平均ＮＳ方程和Ｂ／Ｌ代数湍流模型对Ｓａａｂ９００汽车绕流流场进行了数值模拟,给出了汽车绕流流场的基本特征,探讨了车速对绕流流场,如车尾流动分离点,尾涡及汽车的阻力特性的影响,并建立了尾涡长度与汽车阻力系数之间的关系。     

纵列式直升机双旋翼流场及性能试验

通过加装一台套单旋翼试验台,与原有的单旋翼试验台组成了双旋翼试验台.基于测力天平和PIV技术,通过改变前后两旋翼的水平和轴向间距,测量了纵列式双旋翼不同气动布局干扰状态下的流场特性和旋翼性能,并与单旋翼情况进行了比较.分别给出了悬停和前飞状态下的旋翼速度场和涡量场分布,对比了不同纵向和轴向间距对双旋翼性能的影响.结果表明:悬停时,后旋翼性能和单旋翼基本一致;前飞时,后旋翼性能比单旋翼差,且随前进比的增加,后旋翼性能与单旋翼性能的差距会更大.