旋流器后火焰流场的试验研究

 本文给出了用LDA测量旋流器后火焰流场的试验研究结果。试验表明,中心开孔的平底碟形火焰稳定器后方形成双回流区,湍流脉动的均方根速度在回流区边界区域上发生突变,且湍流脉动速度的概率密度分布图上存在双峰;用热电偶测出的温度分布表明内外两支火焰在双回流区的内外边界附近开始,并向下游伸展。试验结果为应用旋流器燃烧室性能改进提供了依据,也为发展带回流的湍流反应流数值计算方法提供了验证依据。     

贫燃预混旋流火焰PIV和OH-PLIF瞬态同步测量

为了研究贫燃预混旋流火焰流场与火焰结构特性,设计了强受限预混旋流燃烧器,搭建了PIV(粒子图像测速)和OH-PLIF(平面激光诱导荧光)瞬态同步测量系统。针对典型贫燃工况开展了瞬态同步测量研究,获得了多个截面的瞬态和时均流场速度和OH分布信息。研究表明:低当量比不稳定燃烧工况下,伴随着角涡回火现象,燃烧室底部角落存在明显火焰反应区;由于旋流拉扯效应导致OH分布结构边缘产生褶皱,并出现多个OH“孤岛”;旋流火焰外沿位于喷嘴射流的内侧剪切层;增加当量比,火焰流场结构与反应区分布与低当量比类似,但燃烧更稳定,火焰高度有所增加;内部回流区的经典双涡结构分裂为多个旋涡,存在旋涡进动、破碎的现象。     

大涡PIV方法测量水平矩形槽道内湍流耗散率

湍能耗散率的准确测量对工程实际和湍流的理论研究都有着重要的意义。以往的研究多是基于单点速度测量来估算单点的湍能耗散率或者有限体积内的平均值，而不能提供整个流场范围内的耗散率的分布情况。PIV能够测量瞬时流场的速度分布情况，它更适合于用来测量整个流场内的耗散率分布。本文分析了PIV测量得到的速度与单点测量方法之间的关系，提出了大涡PIV方法，运用大涡模拟中的亚网格尺度(SCS)应力模型，对PIV测量结果进行处理得到了水平槽道内的耗散率的分布。对采用不同SCS模型的结果以及量纲分析的结果进行了比较。     

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。     

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.     

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。     

Advanced optical diagnostics applied to dynamic flames and turbulent jets

Experimental studies were conducted to obtain single shot measurements of temperature and concentration in a variety of dynamic flames. The structure of a low speed hydrogen-air buoyant flame is investigated to characterize vortex-flame interactions. In this flame, the temperature and the molar fraction of nitric oxide (NO), atomic oxygen (O), atomic hydrogen (H) and hydroxyl (OH) have been obtained using a combination of coherent anti-Stokes Raman spectroscopy (CARS), laser-induced fluorescence (LIF) and degenerate four-wave mixing (DFWM). Good agreement was found between the simulated and the measured data. A monodispersed droplet stream flame was investigated to study the diphasic combustion of ethanol. In this case, the temperature, nitric oxide (NO) and fuel concentration have been measured. Finally, two-dimensional maps of OH and acetone are recorded using planar LIF (PLIF). Application of this technique to a supersonic H₂/air flame and to a subsonic ethylene/air reacting jet mainly illustrates the turbulent character of combustion and provides a deeper insight into the chemical mechanisms of these flows. The present paper emphasizes the importance of applying quantitative and instantaneous optical techniques to different combustion and turbulent media.     

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.      

Large eddy simulation of turbulent diffusion flame combustion using a conserved scalar methodology

The present paper describes an LES prediction of turbulent diffusion flame combustion in a simplified axi-symmetric combustor geometry.The calculations are carried out using a well-tested finite volume incompressible LES code which has been modified to handle variable density and reacting flows.The basic mixture fraction conserved scalar method is used with the chemical state relationships described by fast chemistry.The turbulence-chemistry interaction is modelled by a sub-grid PDF method and the PDF is assumed to follow a Beta-function shape.The LES predictions have been time-averaged over 3.5 flow-through times to generate the mean radial profiles of mixture fraction,product mass fraction,temperature,axial velocity and axial rms.The agreement of the LES predictions with the experimental data is good for all the above quantities at four different axial positions with largest differences at the first measurement plane.The LES method also provides information on the unsteady nature of turbulent diffusion combustion. For turbulent reacting flows with large density ratio,it was found necessary to use a relaxation method in order to remove unphysical high-frequency fluctuations and to maintain numerical stability.      

梯度磁场推进扩散火焰燃烧的实验研究

用数字粒子图像测速技术(DPIV)测量了扩散火焰周围气流在梯度磁场作用下的速度分布,并与无磁场作用下的速度分布比较。结果表明当梯度磁场作用于扩散火焰时,火焰周围气体运动被加速,火焰的形状变得尖锐,亮度增加。实验定量地验证了梯度磁场可以诱导气体对流的发生,从而进一步推进扩散火焰燃烧反应。     

平面扩压叶栅流场犘犐犞与三孔尾迹探针对比测试研究

针对PIV技术在暂冲式高亚声速平面叶栅流场中遇到的示踪粒子投放问题,通过采用高压雾化式粒子发生器以及安装在稳定段前的撒播器,有效地使示踪粒子均匀地与主流混合,并成功开展了某扩压平面叶栅叶片槽道及出口尾迹可视化测量,获得了零迎角、进口马赫数0．2～0．8状态下的二维速度矢量场。为了验证PIV在叶栅流场测试结果的可靠性,在相同工况下,将PIV测量结果分别与数值计算结果和三孔尾迹探针测量结果进行了对比分析。结果表明：采用PIV技术测得的叶栅中截面二维速度矢量场合理地反映了叶片槽道及尾迹的流动结构,与数值模拟结果较为接近;PIV与三孔楔形尾迹探针在叶栅出口尾迹的测量所获得的气流速度和主流区的出口气流角重合性较好;尾迹分离区的出口气流角重合性略差,主要原因是尾迹区气流角超出了探针校准范围,这也说明了PIV测试技术优势。本文提出的PIV测量技术也可用于连续式叶栅风洞中。     

回流燃烧湍流流场激光可视化实验

实验测量了钝体后丙烷/空气湍流扩散燃烧流场及其对应的冷态流场,分析了两种流场的异同点。利用粒子图像速度场测量(PIV)技术对4种不同工况的冷热态流场进行了测量,得到了燃烧火焰内部的速度场和相应工况下的冷态速度场。结果表明,冷热态流场的速度分布总体相似,但与冷态流场相比,燃烧状态下流场回流区的中心位置升高,长度增加,最大回流速度减小,速度场变得相对紊乱。实验表明,在对湍流扩散燃烧流场作深入研究时,仅利用冷态实验来模拟燃烧状况是不能满足要求的。      

Modeling turbulent transport effects on kernel formation and ?ame propagation in an ignition process

Reliable relighting is crucial for advanced low-emission aero-engine combustors. For forced ignition under highly-turbulent conditions, eddies of sizes being smaller than the flame kernel can affect its formation through penetrating and modifying the kernel structure. In this study, a one-dimensional model for small-scale turbulence on kernel formation is developed through the incorporation of turbulence-induced diffusion in governing equations. With given flow conditions,the spatial and time-dependent turbulent diffusivity is modeled using the idea of residual eddy viscosity. One-dimensional spherical flames of premixed pre-vaporized n-dodecane/air mixtures under high-altitude conditions are simulated to investigate the effects of turbulence. It is revealed that the range of the equivalence ratio for successful turbulent ignition is much narrower than that for laminar ignition. The range decreases with an increased turbulent intensity, and this effect is more pronounced for a low spark energy. In addition, turbulent transport has more pronounced effects on rich mixtures. An analysis on energy budget and species profiles shows that turbulence-induced diffusion enhances the heat loss at the very beginning of the kernel formation process that could lead to ignition failure. After the flame kernel is established, turbulent transport broadens the flame front, enhances the heat release rate, and thereafter increases the flame propagation speed.     

试验研究旋流数对燃烧室气动性能的影响

为了深入了解双级轴向旋流器的旋流数变化对模型环形燃烧室内气流结构与气动性能的影响,采用粒子图像速度仪(PIV)对燃烧室内冷态和液雾燃烧流场进行测量,试验研究在冷、热态情况下不同旋流数对模型燃烧室内回流区的尺寸、平均速度(u,v)、脉动速度(U<,rms>,V<,rms>)以及雷诺剪切应力u'v'分布的影响.研究结果表明...     

航空发动机加力燃烧室跨流气冷稳定器流场研究

针对1种航空发动机加力燃烧室用引气冷却的跨流稳定器结构形式,采用标准k-ε湍流模型数值模拟方法,对其流场结构进行了分析和研究,将数值计算结果与封闭风洞中PIV流场测试结果进行了对比。结果表明:跨流气冷稳定器流场结构复杂,呈3维分布,环形稳定器后方的流场结构与普通钝体的类似,带后掠角的径向稳定器后方回流区与环形稳定器回流区互相耦合为整体,与沿环形稳定器展向的回流区形成高度一体的复杂回流区结构,形成稳定的低速区,起到良好的火焰稳定作用。     

湍流燃烧机理和调控的活性子空间分析方法

高效、低排放等需求促使发动机燃烧趋于近极限燃烧组织,亟需在稳定可控燃烧方面取得突破。湍流燃烧机理复杂,影响湍流燃烧数值模拟预测的物理化学和初始/边界条件参数众多。但是在该高维映射关系中,预测目标量往往仅在输入参数空间中的少数方向上梯度显著,称之为活跃方向。当活跃方向与空间基的方向不一致时,采用传统的全局敏感性方法难以高效地分析出主控参数以及后续的湍流燃烧机理。而活性子方法可以通过梯度的协方差矩阵特征分解得到上述活跃方向。本文综述了活性子空间方法理论及在湍流燃烧模拟中的应用：即探究海量输入参数空间中的活跃方向,构造低维活性子空间和低维响应面,从而高效地量化模拟不确定性、表征主控物理过程,从而揭示湍流燃烧机理。最后,进一步探讨了基于活性子空间分析方法的湍流燃烧调控。     

基于火焰面波动机理的热释放模型理论推导及其模态分析

针对一个中心体稳定的燃烧室通过G方程的方法推导建立了火焰面波动与声波速度波动之间的耦合关系,并进而得到了燃烧热释放模型的数学函数.推导过程中考虑了燃烧膨胀效应对火焰面运动的影响,弥补了前人研究中忽略了燃烧膨胀效应的不足.该函数表明在几何结构和燃料成分等参数保持不变的情况下,湍流燃烧速度是影响热声振荡的关键参数,能够同时强烈的影响燃烧热释放模型的振幅和相位,当量比和入口空气温度等参数是通过改变湍流燃烧速度最终影响了热声振荡现象;而只有当燃烧火焰传播速度相对较大时,密度膨胀比才会对热释放幅值产生影响,并且会对热释放的相位产生影响,从而指出了各参数影响热声振荡的具体途径和相对大小.通过将推导的燃烧热释放波动模型与模态分析方法相结合,系统连续地分析了压力振幅增长率、固有频率和声压模态等重要的热声振荡特性参数随着当量比和入口空气温度的变化关系,从而得到了热声振荡稳定区间和非稳定的区间的云图.对理解和控制热声振荡现象具有重要的实际指导意义.      

航空发动机燃烧室火焰筒掺混区特性的研究

采用FLUENT6.2软件对某型航空发动机燃烧室火焰筒掺混区的典型工作状态进行了三维两相湍流燃烧温度场、速度场及油滴轨迹的数值计算。通过对计算结果的分析,得出掺混区的特性:掺混区的冷、热区决定出口温场的冷、热区;掺混区燃烧效率对燃烧室效率有一定的影响;高负荷状态的速度场均很相似;随着负荷的增加,油滴轨迹呈减小趋势,模拟计算结果与试验结果及燃烧室工作特点基本一致。     

回流燃烧室流动特性试验

为了揭示有/无燃烧状态下燃烧室热态和冷态流场的特征和流动特性,针对某型回流燃烧室单头部试验件,使用粒子图像测速仪（PIV）,测量燃烧室燃烧状态下不同截面处的热态流场,以及没有燃烧状态下不同截面处的冷态流场,探讨不同总压损失系数对回流燃烧室热态/冷态流场特征及流动特性的影响。研究表明:随着总压损失系数的增大,冷态条件下各截面流场结构基本保持不变,如射流孔穿透深度、射流角度、回流区位置及大小、流线等基本保持一致,但是各位置点速度大小逐渐增大。热态条件下各截面流场随着总压损失系数增大,流场结构也基本保持不变;相同总压损失系数时,热态流场与冷态流场存在差异,燃油喷射与气流的相对运动将会对燃烧室头部的流场结构造成影响,速度较冷态流动时略微增大。      

A forced ignition probability analysis method using kernel formation analysis with turbulent transport and Lagrangian flame particle tracking

A forced ignition probability analysis method is developed for turbulent combustion, in which kernel formation is analyzed with local kernel formation criteria, and flame propagation and stabilization are simulated with Lagrangian flame particle tracking. For kernel formation, the effect of turbulent scalar transport on flammability is modelled through the incorporation of turbulence-induced diffusion in a spherically outwardly propagating flame kernel model. The dependence of flammability limits on turbulent intensities is tabulated and serves as the flammability criterion for kernel formation. For Lagrangian flame particle tracking, flame particles are tracked in a structured grid with flow fields being interpolated from a Computational Fluid Dynamics (CFD) solution. The particle velocity follows a Langevin model consisting of a linear drift and an isotropic diffusion term. The Karlovitz number is employed for the extinction criterion, which compares chemical and turbulent timescales. The integration of the above two-step analysis approach with non-reacting CFD is achieved through a general interpolation interface suitable for general unstructured CFD grids. The method is demonstrated for a methane/air bluff-body flame, in which flow and fuel/air mixing characteristics are extracted from a non-reacting simulation. Results show that the computed ignition probability map agrees qualitatively with experimental results. A reduction of the ignition probability in the recirculation zone and a high ignition probability on the shear layer of the recirculation zone near the mean stoichiometric surface are well captured. The tools can facilitate optimization of spark placement and offer insights into ignition processes.