航空发动机两级反向旋流燃烧室燃烧流场大涡模拟研究

为深入了解真实航空发动机内燃烧流场,采用动态亚网格模型结合单步快速化学反应(FC)、火焰面(FLM)及反应进度变量(FPV)等三种燃烧模型对径向两级反向旋流燃烧室单头部构型进行了大涡模拟。为避免模型简化误差,对燃烧室包括全部气膜冷却孔在内的精细结构进行了完全仿真。在已达到统计定常状态的冷态流场基础上首先模拟了燃料喷注和掺混过程,约2.6ms后燃料到达真实的点火位置,随后采用FPV模型在半径3mm的球形区域数值模拟了点火,展示了在主燃孔横向射流作用下初始火焰沿化学恰当比混合分数等值线传播并充满整个火焰筒的发展过程,结果显示火焰到达燃烧室出口的耗时约为6～7ms。不同模型算法预测的平均温度场与CARS测量结果作了对比,LES-FPV,RANS-FPV,LES-FLM以及参考文献中RANS-FLM计算平均误差分别为3.47%,4.17%,7.76%和11.22%,表明LES改进了模拟精度,且FPV模型显著优于FLM模型。RANS-FPV预测的出口存在严重热斑,导致其给出的出口温度分布因子(OTDF)及最大径向温度分布因子(RTDF)值分别达到0.593和0.313;LES-FPV结果均匀性最好,其预测值分别为0.284和0.193。     

马赫数4下氢气自燃辅助乙烯点火实验研究

为了研究氢气自燃辅助乙烯点火的具体点火参数和点火性能,在直连式脉冲燃烧风洞设备上进行了模拟飞行马赫数4条件下的超燃发动机乙烯点火试验,试验来流的总温935K,总压0.8MPa,隔离段入口马赫数2.1。试验利用不同质量流量的引导氢气自燃辅助点火,成功实现了乙烯燃料的点火和稳定燃烧。通过流场显示和壁面压力测量发现:(1)能够成功点火的引导氢气流量范围为 0.43~12.61g/s,相当于当量比0.005~0.142;(2)0.43g/s流量氢气注入燃烧室后10ms以内被点燃,乙烯燃料注入后经过了约20ms才被点燃,点火的主要位置为凹槽内;(3)6.68g/s的氢气注入燃烧室后20ms才被点燃,乙烯燃料注入后约8ms即被点燃,点火的主要位置为凹槽下游和凹槽出口位置;(4)点火试验中火焰能够在凹槽内和剪切层内向上游逆传;(5)凹槽下游和下壁面的燃烧,是促进凹槽内燃烧、提升燃烧室压力和引起燃烧室压力震荡的主要原因。      

空气节流对乙烯燃料超燃冲压发动机流场结构影响研究

空气节流可以有效地实现超燃冲压发动机燃烧室燃料的稳定燃烧,采用非定常数值模拟和地面试验研究了空气节流作用下乙烯燃料超燃冲压发动机的流场特性。结果表明:在燃烧室入口马赫数2、静温530K,静压0.1MPa,845mm处节流条件下,冷流流场达到稳定所需时间较短,约为2ms;在空气节流开始后的6ms注入燃料实现发动机的起动点火是合适的;28ms后燃烧流场稳定,流场呈现短周期的小幅振荡,周期约为0.86ms,振荡对流场的影响很小;壁面压力数据的数值模拟结果与试验结果匹配良好,数值模拟更加全面地给出了流场结构信息。     

燃用重整气和煤油的燃烧室燃烧流场数值研究

为考察不同气液燃料对燃烧室性能的影响以及双燃料燃烧室设计时重整气显焓的影响,采用Fluent软件对双燃料燃烧室的燃烧流场进行了数值研究,并将重整气和煤油流场的计算结果进行了对比分析。数值模拟采用了Realizable k-ε湍流模型、PDF燃烧模型、离散相模型和SIMPLE算法。结果表明:燃烧室燃用不同气液燃料时,燃烧室内的回流区结构尺寸大体相同。当重整气和煤油的焓值相同时,重整气燃烧室内的最大轴向回流速度约为煤油燃烧室的5倍,温度降低约300K火焰变短,出口截面温度分布系数降低7.5%出口径向温度分布更均匀。进行气液燃料流量换算时,应考虑重整气显焓,否则会导致重整气燃烧室内的最大轴向回流速度增大约12%火焰拉长,燃烧室出口温度分布系数增大。     

超燃燃烧室中燃烧反应区域变化情况试验

运用试验的方式在来流马赫数为2.5的条件下研究了气态燃料在直连式凹腔燃烧室内的燃烧过程，结合壁面压力测量以及OH-PLIF(OH-平面激光诱导荧光系统)方法分析了乙烯燃料在点火后1 ms内的燃烧反应区域发展过程和氢气燃料在稳焰时1 ms内的燃烧反应区域变化过程。结果表明凹腔后缘斜坡对于气态燃料的火焰传播起重要作用，初始燃烧区域在随来流到达后斜坡后会减速滞留，为附近的燃料提供适宜的点火环境。凹腔剪切层对气态燃料的稳焰燃烧起重要作用，剪切层内始终部分存在剧烈燃烧反应区域，这将为凹腔内部源源不断地提供点火能量，为维持凹腔内部燃料持续点火燃烧提供能源支撑。试验测得乙烯初始燃烧反应区域向凹腔上游的发展速度约为170 m/s。     

空气节流对超燃冲压发动机燃烧室起动点火影响的数值研究

利用空气节流在流场中产生激波串,有效地辅助燃料实现起动点火.非定常Navier-Stokes方程数值模拟研究了空气节流对超燃冲压发动机燃烧室起动点火的影响,分析了起动点火时间段(0~1.0ms)内空气节流 对流场参数的影响.数值模拟结果表明:在燃烧室入口马赫数为2.0、静温为548.8K、静压为101555.9 Pa,乙烯燃料当量比为0.5,先锋氢辅助点火的条件下,距离发动机入口845mm处,节流流量为入口空气流量的30%,有效地实现了发动机的起动点火,无空气节流情况下的发动机点火效果不佳,火焰最终熄灭.      

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.      

喷嘴匹配方案及火焰筒开孔对燃烧室性能影响的试验研究

基于航空发动机主燃烧室扇形试验,针对点火喷嘴特性以及火焰筒大孔射流的改变对主燃烧室性能的改善情况进行了研究。试验中进行了点火用喷嘴匹配方案对燃烧室熄火性能,以及火焰筒大孔面积变化对燃烧室贫油熄火、燃烧效率和出口温度场性能影响的研究。研究结果表明：在供油系统设计中采用放大型点火喷嘴可改善主燃烧室贫油熄火性能;增大火焰筒主燃孔的面积可提高燃烧室的燃烧效率,改善出口温度场分布,而贫油熄火特性将变差;增大掺混孔的面积可提高燃烧室的燃烧效率,改善出口温度场分布,拓宽燃烧室的熄火动界．     

带驻涡凹腔的径向钝体稳定器燃烧特性研究

针对燃烧室高速气流中低压组织燃烧需求,本文分析驻涡稳定器-径向稳定器组合结构的燃烧性能,对驻涡燃烧室传焰和稳焰结构的优化设计提供支撑。研究采用实验和数值模拟相结合的方法,在0.06～0.08MPa的负压条件下,获得了组合稳定器结构的燃烧效率、出口温度分布和热态流场。结果表明,径向稳定器的存在使得燃烧室出口产生了明显的温度不均匀现象;降低燃烧室总压将导致燃烧效率明显恶化,总压每下降0.01MPa,对应的燃烧效率将下降约5%。燃烧区的位置与流场息息相关,在热态燃烧过程中,高温区集中在凹腔侧边和径向稳定器外侧,燃烧室中央部分存在来源于凹腔值班级、并沿径向稳定器传播的火焰。余气系数的提升将增加主流供油的穿透深度,导致燃烧区进一步集中在燃烧室两侧,出口温度不均匀程度将由此上升,当余气系数下降到2以下时,燃烧室两侧燃油的富集将导致燃烧效率下降。     

以柴油为燃料的旋流杯燃烧室燃烧性能研究

为分析燃料和燃烧室结构对燃烧性能的影响,对地面用燃气轮机采用旋流杯燃烧室以0号柴油为燃料时的燃烧性能进行了试验研究,同时研究了主燃孔尺寸和掺混孔轴向位置对燃烧性能的影响。试验结果表明:使用柴油为燃料后,由于粘度增加燃烧室的点火和熄火特性变差,常温点火油气比高于0.034,慢车贫油熄火油气比高于0.005,提高燃烧室入口气流温度至240℃可使最低点火油气比降至0.023;在相同油气比和入口条件下燃烧室温升超过900℃,高于相同入口条件下航空煤油温升,燃烧效率达到了98%以上,出口温度分布系数最高为0.2324满足出口温度分布均匀性要求,CO,NO_x和UHC排放最高值分别为76.57,56.73和626mL/m3,都满足污染物排放要求,SN4为11.9,达到了无烟燃烧室标准。主燃孔直径增大至11mm,使主燃区空气流量增加2%会导致燃烧室的点火油气比升高约5%,熄火油气比升高约3%;掺混孔前移导致贫油熄火油气比升高10%、燃烧效率下降1.3%,出口温度分布系数升高至0.2324,但会使NO_x和CO的排放分别降低49%和18%;掺混孔后移,会使出口温度分布系数降至0.197,NO_x排放降低26%。     

采用不同建表方法的火焰面模型在燃烧室中的应用研究（英文）

为加深对航空发动机燃烧室中湍流燃烧过程的理解,采用不同建表方法的火焰面模型对航空发动机模型燃烧室内的湍流燃烧过程进行数值模拟,包括层流火焰面数据库的构建和反应进度变量的PDF类型两个方面。其中,层流火焰面数据库的构造方法包括基于扩散火焰的FPV和基于预混火焰的FGM模型,反应进度变量的PDF类型包括δ和β分布。LISA和KHRT模型分别用于模拟液膜和液滴的破碎过程,非平衡Langmuir-Knudsen模型用于模拟液滴的蒸发过程。LISA模型得到的液膜破碎距离约为4.6mm,液滴直径在文氏管出口下游迅速减小到10μm左右,并在头部出口下游附近完全蒸发。通过与相干反斯托克斯喇曼散射(CARS)和可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)测量温度的对比,验证了FPV和FGM模型的精度,并表明在流动变化较大的位置FPV模型具有更高的精度,而其他位置FGM模型具有更高的精度,采用β分布作为反应进度变量PDF的模型,可以有效提高温度的预测进度,而且主燃区内的误差基本都在5%以内。此外采用β分布作为反应进度变量PDF的FGM模型,可以更好地描述未燃混合物被回流燃气点火的过程,而且反应进度变量的PDF类型比层流火焰面数据库构建方法的影响更为显著。     

采用不同建表方法的火焰面模型在燃烧室中的应用研究

为加深对航空发动机燃烧室中湍流燃烧过程的理解,采用不同建表方法的火焰面模型对航空发动机模型燃烧室内的湍流燃烧过程进行数值模拟,包括层流火焰面数据库的构建和反应进度变量的PDF类型两个方面。其中,层流火焰面数据库的构造方法包括基于扩散火焰的FPV和基于预混火焰的FGM模型,反应进度变量的PDF类型包括δ和β分布。LISA和KHRT模型分别用于模拟液膜和液滴的破碎过程,非平衡Langmuir-Knudsen模型用于模拟液滴的蒸发过程。LISA模型得到的液膜破碎距离约为4.6mm,液滴直径在文氏管出口下游迅速减小到10μm左右,并在头部出口下游附近完全蒸发。通过与相干反斯托克斯喇曼散射(CARS)和可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)测量温度的对比,验证了FPV和FGM模型的精度,并表明在流动变化较大的位置FPV模型具有更高的精度,而其他位置FGM模型具有更高的精度,采用β分布作为反应进度变量PDF的模型,可以有效提高温度的预测进度,而且主燃区内的误差基本都在5%以内。此外采用β分布作为反应进度变量PDF的FGM模型,可以更好地描述未燃混合物被回流燃气点火的过程,而且反应进度变量的PDF类型比层流火焰面数据库构建方法的影响更为显著。     

乙醇-空气稀液雾值班火焰的大涡模拟研究

为加深对气液两相湍流燃烧现象的认知,检测火焰面模型在液雾燃烧中的适用性,本文在欧拉-拉格朗日架构下使用火焰面/反应进度变量模型(FPV)数值模拟了乙醇-空气稀液雾值班火焰。欧拉坐标系下的气相湍流场使用大涡模拟方法模拟,离散液相则使用拉格朗日颗粒轨道模型进行描述,考虑了相间质量、动量、能量交换。燃烧模型中采用碳元素定义混合物分数,在混合物分数方程源项中体现液相对燃烧模型的影响。模拟得到的气相温度分布和液相统计值均和实验数据较好吻合,验证了该燃烧模型对稀液雾扩散类型火焰的适用性。分析瞬时图发现,该稀液雾火焰的最高燃烧温度往往位于当量混合物分数附近,在出口下游20倍直径处火焰完全点着,此处上游FPV模型能给出局部点火熄火现象。蒸发作用在剪切层和点火区域较强,而液滴和火焰作用较弱,单一液滴很少被火焰包围。     

喷嘴损伤对环形回流燃烧室性能的影响

利用Fluent商用软件对模型环形回流燃烧室三维两相喷雾燃烧流场进行了数值模拟,研究了喷嘴损伤引起雾化效果变化对燃烧室性能的影响,采用可实现的k-ε模型模拟湍流黏性、离散相模型（DPM）通过添加UDF(user defined function)程序追踪燃油运动轨迹、正庚烷作替代燃料及层流小火焰模型.计算结果表明:采用的数值模拟方法可以预估实际燃烧室燃烧流场以及喷嘴损伤对其性能的影响,雾化性能变化导致燃烧室出口温度分布不均匀度升高,品质降低,并导致燃烧室燃烧效率降低;当燃油流量降低约19%时,燃烧室性能已不符合运行要求.      

煤油燃料超声速燃烧室火焰面模型应用探究

为了探究煤油燃料超燃流场是否满足火焰面特性,基于双支板超燃燃烧室开展试验与数值模拟研究。燃烧室入口马赫数2,总温1436K,燃料由支板分级喷注。根据燃烧室计算结果与火焰面模型判据可知:在微观上,绝大部分燃烧区的Karlovitz数不超过100,耗散涡不会对火焰结构产生显著影响,可近似满足火焰面要求;在宏观上,燃烧区的Damkohler数远高于局部熄火临界值,湍流强脉动导致的破碎火焰时均化具有层流火焰特性,雷诺时均N-S(RANS)方程结合层流火焰面计算与该特性是相符合的。试验中,不同上游当量比导致燃烧室存在两种稳定的燃烧状态:上游燃烧状态和下游燃烧状态,火焰面模型结合煤油23步反应机理可以准确描述两种燃烧状态的湍流燃烧特性,因此RANS结合火焰面模型在煤油燃料超声速燃烧室数值模拟方面具有一定的适用性和准确性。     

超音速燃烧室碳氢燃料点火实验研究

模拟飞行Ma =3 5的超燃冲压发动机的燃烧室进口条件 ,采用氢为先锋火焰 ,在氢氧燃烧加热脉冲风洞上 ,对超燃燃烧室煤油燃料的点火和火焰稳定进行了实验研究 ,实现了煤油的点火和火焰稳定。实验测量了燃烧室壁面压力分布 ,并拍摄了燃烧火焰紫外光图像。实验表明 ,在燃烧室进口温度较低 (小于 90 0K)的条件下 ,在超燃燃烧室中实现煤油自燃十分困难 ,采用氢为先锋火焰实现煤油的点火是较为有效的途径之一。     

燃气轮机双燃料燃烧室流场对比数值研究

针对燃气轮机环管型双燃料燃烧室分别燃用庚烷和裂解气燃料的情况,采用CFD(computa-tional fluid dynamics)技术对其燃烧流场进行对比研究.数值模拟采用了RNGk-ε湍流模型、化学平衡条件下的快速化学反应系统和简单概率密度函数(PDF)燃烧模型、液体燃料的喷雾模型以及SIMPLE算法.模拟对比分析了两种燃料燃烧下的温度分布、燃烧效率、流量分配、壁面冷却效果、空气过量系数等参数,以及它们随工况变化的趋势.所得结论如下:①不同燃料燃烧时,流场内的流量分配基本保持一致;②裂解气燃料燃烧时,其燃烧效率高出燃油状态约1%,但出口温度均匀性较差;③在加入相同化学焓值的燃料进入燃烧室时,裂解气燃料的头部空气过量系数α较大,所得到的出口平均温度低于燃油状态约20～40 K.      

Experimental Investigation of Hydrocarbon-fuel Ignition in Scramjet Combustor

模拟飞行Ma=3．5的超燃冲压发动机的燃烧室进口条件，采用氢为先锋火焰，在氢氧燃烧加热脉冲风洞上，对超燃燃烧室煤油燃料的点火和火焰稳定进行了实验研究，实现了煤油的点火和火焰稳定。实验测量了燃烧室壁面压力分布，并拍摄了燃烧火焰紫外光图像。实验表明，在燃烧室进口温度较低(小于900K)的条件下，在超燃燃烧室中实现煤油自燃十分困难，采用氢为先锋火焰实现煤油的点火是较为有效的途径之一。     

进气畸变对燃烧室性能的影响

基于详细化学反应动力学和火焰面模型,以某型发动机燃烧室为计算模型,在压气机气流畸变来流条件下对燃烧室内流场进行了数值模拟,将计算结果与其实验结果进行了对比,并对比研究了均匀与非均匀入口气流条件下燃烧室燃烧性能的差异。结果表明:非均匀入口效应会对燃烧室内部流场产生很大的影响,流场的对称性受到破坏,燃料的掺混燃烧效果也会受到影响,进而导致燃烧室燃烧效率降低,影响整个燃烧室的工作性能。增大主燃孔面积,提高头部进气量可以很好地改善此型燃烧室的燃烧性能。      

带旋流杯的模型回流燃烧室主燃孔射流研究

实验研究了带轴径向旋流杯、主燃孔和冷却气流的模型回流燃烧室在工作压力为300 kPa, 燃烧室压力损失为2.5%时主燃孔射流的特点以及其对燃烧室流场的影响.结果表明, 回流式燃烧室内外壁主燃孔射流进气方向与顺流式燃烧室不同, 即内壁主燃孔射流向流动方向下游倾斜, 外壁主燃孔射流向流动方向上游倾斜;主燃孔射流穿透深度很大, 几乎能穿透到对面火焰筒壁;中心回流区长度明显缩短, 其长度L与旋流杯出口直径D的比值(L/D)约为0.5, 而常规的顺流式燃烧室的L/D约为1.3.